WO2023026783A1 - Gas separation system and method for separating mixed gas - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a gas separation system and a mixed gas separation method.
- mixed gases containing carbon dioxide and hydrogen are emitted. From the viewpoint of environmental regulations and effective use of resources, it is desirable to separate and recover each component of the mixed gas.
- a membrane separation method has been developed as a method for separating each component from a mixed gas.
- the membrane separation method can efficiently separate each component while suppressing the operating cost, compared to the absorption method in which specific components contained in the mixed gas are separated by being absorbed by an absorbent.
- Patent Literature 1 discloses a gas production system provided with a carbon dioxide separation membrane and a hydrogen separation membrane.
- Patent Document 1 describes that a generated gas containing hydrogen and carbon dioxide is treated with a carbon dioxide separation membrane, and non-permeated gas that has not permeated the carbon dioxide separation membrane is further treated with a hydrogen separation membrane.
- carbon dioxide permeated through the carbon dioxide separation membrane and hydrogen permeated through the hydrogen separation membrane are recovered as product gases.
- an object of the present invention is to provide a gas separation system suitable for efficiently separating a mixed gas.
- the present invention a first separation membrane that separates the mixed gas into a first permeable gas and a first non-permeable gas; a second separation membrane that separates the first non-permeable gas into a second non-permeable gas and a second non-permeable gas; with
- the mixed gas includes a gas A and a gas B different from the gas A,
- the first separation membrane can preferentially permeate the gas A,
- the second separation membrane can preferentially permeate the gas B, the membrane area of the first separation membrane is smaller than the membrane area of the second separation membrane,
- a gas separation system is provided for recovering the second permeate gas and the second non-permeate gas, respectively.
- a mixed gas containing the gas A and a gas B different from the gas A is separated into a first permeable gas and a first non-permeable gas by a first separation membrane capable of preferentially permeating the gas A.
- a first separation step a second separation step of separating the first non-permeable gas into a second non-permeable gas and a second non-permeable gas by a second separation membrane capable of preferentially permeating the gas B; a recovery step of recovering the second permeable gas and the second non-permeable gas, respectively; including
- a mixed gas separation method is provided in which the membrane area of the first separation membrane is smaller than the membrane area of the second separation membrane.
- FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a gas separation system according to one embodiment of the present invention
- FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a first separation membrane unit
- FIG. 4 is a cross-sectional view showing an example of a first separation membrane
- FIG. 4 is a cross-sectional view showing another example of the first separation membrane
- FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing an example of a second separation membrane unit
- FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing another example of the first separation membrane unit
- FIG. 2 is a configuration diagram for explaining the gas separation systems of Models 2 and 5
- FIG. 2 is a configuration diagram for explaining a gas separation system of model 4;
- the gas separation system comprises a first separation membrane that separates the mixed gas into a first permeable gas and a first non-permeable gas; a second separation membrane that separates the first non-permeable gas into a second non-permeable gas and a second non-permeable gas; with
- the mixed gas includes a gas A and a gas B different from the gas A,
- the first separation membrane can preferentially permeate the gas A,
- the second separation membrane can preferentially permeate the gas B, the membrane area of the first separation membrane is smaller than the membrane area of the second separation membrane,
- the second permeable gas and the second non-permeable gas are each recovered.
- the ratio of the membrane area of the first separation membrane to the membrane area of the second separation membrane is 10/90 or less.
- the content of the gas B in the second permeating gas is 70 vol% or more
- the second The content of the gas A in the impermeable gas is 70 vol % or more.
- the recovery rate of the gas B by the second permeating gas is 70% or more
- the second The recovery rate of the gas A by the non-permeating gas is 60% or more
- the volume ratio of the gas A is 25-75 vol %.
- the gas separation system in any one of the first to sixth aspects includes a first separation membrane unit containing the first separation membrane, and It further comprises a mixed gas supply path connected to supply the mixed gas to the first separation membrane unit, and a pressurizing device arranged in the mixed gas supply path for pressurizing the mixed gas.
- the gas separation system includes a second separation membrane unit containing the second separation membrane, and recovering the second permeated gas and a first recovery path connected to the second separation membrane unit and the first recovery section for sending the second permeated gas to the first recovery section.
- the gas separation system includes a second separation membrane unit containing the second separation membrane, and a second non-permeable gas. It further comprises a second recovery section for recovery, and a second recovery path connected to the second separation membrane unit and the second recovery section for sending the second non-permeating gas to the second recovery section.
- one of the first separation membrane and the second separation membrane is a metal layer containing a metal It has
- one of the first separation membrane and the second separation membrane is a polyether block amide resin Alternatively, it has a separation function layer containing an ionic liquid.
- the mixed gas separation method includes: A mixed gas containing the gas A and a gas B different from the gas A is separated into a first permeable gas and a first non-permeable gas by a first separation membrane capable of preferentially permeating the gas A. a first separation step; a second separation step of separating the first non-permeable gas into a second non-permeable gas and a second non-permeable gas by a second separation membrane capable of preferentially permeating the gas B; a recovery step of recovering the second permeable gas and the second non-permeable gas, respectively; including
- the membrane area of the first separation membrane is smaller than the membrane area of the second separation membrane.
- the gas separation system 100 of this embodiment includes a first separation membrane 11 and a second separation membrane 21 .
- the gas separation system 100 includes a first separation membrane unit 10 containing a first separation membrane 11 and a second separation membrane unit 20 containing a second separation membrane 21 .
- the first separation membrane unit 10 is a membrane separation device that uses the first separation membrane 11 to perform membrane separation on a mixed gas.
- the first separation membrane 11 can separate the mixed gas into a first permeable gas and a first non-permeable gas.
- the second separation membrane unit 20 is a membrane separation device that uses the second separation membrane 21 to perform membrane separation on the first non-permeating gas discharged from the first separation membrane unit 10 .
- the second separation membrane 21 can separate the first non-permeable gas into a second non-permeable gas and a second non-permeable gas.
- the mixed gas processed by the first separation membrane unit 10 contains gas A and gas B different from gas A.
- gas A and gas B include hydrogen and carbon dioxide.
- gas A is hydrogen and gas B is carbon dioxide
- gas A is carbon dioxide and gas B is hydrogen.
- the first separation membrane 11 can preferentially permeate the gas A. Therefore, the first permeable gas separated by the first separation membrane 11 has a higher content of gas A than the mixed gas and a lower content of gas B than the mixed gas. On the other hand, the first impermeable gas has a lower content of gas A than the mixed gas and a higher content of gas B than the mixed gas.
- the second separation membrane 21 can preferentially permeate the gas B. Therefore, the second permeable gas separated by the second separation membrane 21 has a higher content of gas B than the first non-permeable gas and a lower content of gas A than the first non-permeable gas.
- the second non-permeable gas has a lower gas B content than the first non-permeable gas and a higher gas A content than the first non-permeable gas.
- the membrane area M1 of the first separation membrane 11 is smaller than the membrane area M2 of the second separation membrane 21.
- the sum of the membrane area M1 of the first separation membrane 11 and the membrane area M2 of the second separation membrane 21 is It tends to be possible to recover each of Gas A and Gas B with high purity and high recovery without a significant increase in value.
- the gas separation system 100 of this embodiment is suitable for efficiently separating a mixed gas.
- the ratio M1/M2 of the membrane area M1 of the first separation membrane 11 to the membrane area M2 of the second separation membrane 21 is, for example, 40/60 or less, preferably 25/75 or less, and more preferably 10/90 or less. and may be 8/92 or less, or may be 5/95 or less.
- the lower limit of the ratio M1/M2 is not particularly limited, and is, for example, 0.5/99.5.
- the gas separation system 100 further includes a mixed gas supply route 30.
- the mixed gas supply path 30 is connected to the mixed gas inlet (inlet 13a) of the first separation membrane unit 10, and the mixed gas is mixed into the first separation membrane unit 10 from a tank (not shown) storing the mixed gas. It is a path for supplying gas.
- the mixed gas supply path 30 may be directly connected to the source of the mixed gas, or may be configured to continuously supply the mixed gas from the source to the first separation membrane unit 10 .
- a pressure device 40 that pressurizes the mixed gas is arranged in the mixed gas supply path 30 .
- the pressurization device 40 includes, for example, a compressor, a blower and a back pressure valve. The pressurizing device 40 can pressurize the supply-side space of the first separation membrane unit 10 by pressurizing the mixed gas.
- a heat exchanger (not shown) may be arranged between the pressurizing device 40 and the first separation membrane unit 10 in the mixed gas supply path 30 .
- the heat exchanger cools the mixed gas pressurized by the pressurizing device 40, for example.
- the heat exchanger is, for example, a gas-liquid heat exchanger that causes heat exchange between a cooling medium such as antifreeze and a mixed gas, typically a fin-tube heat exchanger.
- the gas separation system 100 further comprises a non-permeable gas supply path 32 .
- the non-permeating gas supply path 32 is connected to the non-permeating gas outlet (outlet 13b) of the first separation membrane unit 10 and the non-permeating gas inlet (inlet 23a) of the second separation membrane unit 20, This path is for supplying the first non-permeating gas to the second separation membrane unit 20 .
- the impermeable gas supply path 32 may not be provided with a tank such as a collector that collects the first impermeable gas or an on-off valve that opens and closes the path.
- the first non-permeating gas discharged from the first separation membrane unit 10 can be continuously supplied to the second separation membrane unit 20, and the mixed gas processing amount per unit time can be reduced to can be easily increased.
- the non-permeating gas supply path 32 may be composed only of piping.
- the gas separation system 100 further comprises an exhaust path 34 .
- the discharge path 34 is connected to the permeated gas outlet (outlet 14 a ) of the first separation membrane unit 10 and is a path for discharging the first permeated gas from the first separation membrane unit 10 .
- An opening (discharge port 42 ) for discharging the first permeating gas from the discharge path 34 is formed in the discharge path 34 .
- Gas separation system 100 discards the first permeate gas without recovery.
- the discharge path 34 may be connected to a second recovery section 46 to be described later, and the first permeation gas may be recovered in the second recovery section 46 .
- a discharge path 34 is connected to the mixed gas supply path 30, and the first permeate gas may be reused.
- the gas separation system 100 further includes a first recovery path 36 and a first recovery section 44 .
- the first recovery path 36 is connected to the permeated gas outlet (outlet 24a) of the second separation membrane unit 20 and the inlet of the first recovery section 44, and the second It is the path for sending the permeating gas.
- the first collection section 44 can collect the second permeation gas sent from the second separation membrane unit 20 and store the second permeation gas, for example.
- recovery part 44 is a tank which stores a 2nd permeation
- the gas separation system 100 further includes a second recovery path 38 and a second recovery section 46 .
- the second recovery path 38 is connected to the non-permeating gas outlet (outlet 23b) of the second separation membrane unit 20 and the inlet of the second recovery section 46, and the second recovery section 46 from the second separation membrane unit 20 2 path for sending non-permeating gas.
- the second collection section 46 can collect the second non-permeable gas sent from the second separation membrane unit 20 and store the second non-permeable gas, for example.
- the second recovery section 46 is, for example, a tank that stores the second non-permeable gas.
- a decompression device and a heat exchanger may be arranged in the second recovery path 38 .
- the pressure reducing device can reduce the pressure of the second non-permeating gas to the atmospheric pressure (for example, 101 kPa) in the external environment.
- the decompression device include a decompression valve.
- the heat exchanger is located, for example, between the decompression device and the second recovery section 46 .
- a heat exchanger heats the 2nd non-permeate gas pressure-reduced by the pressure reduction apparatus, for example.
- the heat exchanger is, for example, a gas-liquid heat exchanger that causes heat exchange between a heat medium such as hot water and a second non-permeable gas, typically a finned-tube heat exchanger.
- each path of the gas separation system 100 is composed of, for example, metal or resin piping.
- the gas separation system 100 may further include a controller (not shown) that controls each component of the gas separation system 100 .
- the controller is, for example, a DSP (Digital Signal Processor) including an A/D conversion circuit, an input/output circuit, an arithmetic circuit, a storage device, and the like.
- the controller stores a program for proper operation of the gas separation system 100 .
- the gas separation system 100 of this embodiment is, for example, a continuous system.
- a continuous system means a system capable of continuously processing a mixed gas without closing a path that constitutes the gas separation system 100 with an on-off valve or the like.
- the gas separation system 100 treats the mixed gas in the first separation membrane unit 10, and the first non-permeating gas obtained in the first separation membrane unit 10 is immediately It can be processed in the second separation membrane unit 20 .
- the gas separation system 100 of this embodiment is capable of continuous operation.
- the gas separation system 100 functioning as a continuous system, is suitable for applications where mixed gases are continuously supplied, exhaust gas treatment, and the like.
- the first separation membrane unit 10 includes a first separation membrane 11 and a tank 12 .
- Tank 12 has a first chamber 13 and a second chamber 14 .
- the space within the first chamber 13 corresponds to the supply side space, and the space within the second chamber 14 corresponds to the permeation side space.
- the first separation membrane 11 is arranged inside the tank 12 .
- the first separation membrane 11 separates the first chamber 13 and the second chamber 14 .
- the first separation membrane 11 extends from one of the pair of wall surfaces of the tank 12 to the other.
- the first chamber 13 has an entrance 13a and an exit 13b.
- the second chamber 14 has an outlet 14a.
- the inlet 13 a of the first chamber 13 is an opening for supplying the mixed gas 70 to the first separation membrane unit 10 .
- the outlet 14 a of the second chamber 14 is an opening for discharging the first permeated gas 80 obtained by permeating the mixed gas 70 through the first separation membrane 11 from the first separation membrane unit 10 .
- the outlet 13 b of the first chamber 13 is an opening for discharging the mixed gas 70 (first non-permeating gas 81 ) that has not permeated the first separation membrane 11 from the first separation membrane unit 10 .
- Each of the inlet 13a, the outlet 13b, and the outlet 14a is formed in the wall surface of the tank 12, for example.
- the first separation membrane 11 can preferentially permeate the gas A contained in the mixed gas 70 .
- the first separation membrane 11 when the gas A is hydrogen that is, the first separation membrane 11 that preferentially allows hydrogen to permeate will be described.
- a separation membrane that preferentially permeates hydrogen may be referred to as a "hydrogen permeable membrane”.
- the first separation membrane 11 as a hydrogen-permeable membrane has, for example, a metal layer 1 containing metal.
- the first separation membrane 11 may further include a support 3 that supports the metal layer 1 and a coat layer 2 that covers the metal layer 1 .
- the metal layer 1 is arranged, for example, between the coat layer 2 and the support 3 and is in direct contact with the coat layer 2 and the support 3 respectively.
- an adhesive may be arranged between the metal layer 1 and the support 3 .
- Another support may be further arranged between the metal layer 1 and the coat layer 2 .
- the metal layer 1 is a layer that allows preferential transmission of hydrogen.
- the metal contained in the metal layer 1 is not particularly limited as long as it has a hydrogen permeation function by itself or by being alloyed. Examples of such metals include Pd, Nb, V, Ta, Ni, Fe, Al, Cu, Ru, Re, Rh, Au, Pt, Ag, Cr, Co, Sn, Zr, Y, Ce, Ti , Ir, Mo, and alloys containing two or more of these metals.
- the metal layer 1 is preferably an alloy layer containing a Pd alloy.
- Other metals forming the Pd alloy are not particularly limited, but are preferably Group 11 elements, more preferably at least one selected from the group consisting of Au, Ag and Cu.
- Metal layer 1 preferably contains a Pd—Au alloy.
- the content of Group 11 elements in the Pd alloy is preferably 20 to 65 mol%, more preferably 30 to 65 mol%, still more preferably 30 to 60 mol%, and particularly preferably 40 to 60 mol%. .
- the Pd alloy may contain Group IB and/or Group IIIA metals.
- the Pd alloy may be an alloy of three or more components instead of the two-component alloy described above.
- alloys of three or more components include Pd--Au--Ag, Pd--Au--Cu and Pd--Au--Ag--Cu.
- the total content of Au and other metals in the alloy is preferably 55 mol% or less, more preferably 50 mol. %, more preferably 45 mol % or less, and particularly preferably 40 mol % or less.
- the metal layer 1 is, for example, substantially made of metal.
- “consisting essentially of” means excluding other ingredients that alter the essential characteristics of the material referred to, such as 95 wt% or more, or even 99 wt% or more of the material. It means that it is composed of
- the metal layer 1 can be produced by, for example, a rolling method, a sputtering method, a vacuum deposition method, an ion plating method, a plating method, or the like.
- the rolling method is suitable for producing relatively thick metal layers 1 .
- Sputtering methods are suitable for producing relatively thin metal layers 1 .
- the rolling method may be hot rolling or cold rolling.
- the rolling method is a method in which a pair or a plurality of pairs of rolls are used to apply pressure to a metal while stretching it into a film.
- the thickness of the metal layer 1 obtained by rolling is preferably 5 to 50 ⁇ m, more preferably 10 to 30 ⁇ m. By setting the thickness of the metal layer 1 to 5 ⁇ m or more, it is possible to suppress the occurrence of pinholes or cracks during fabrication, and further to suppress deformation when hydrogen is absorbed. By setting the thickness of the metal layer 1 to 50 ⁇ m or less, the metal layer 1 can achieve sufficient hydrogen permeability while suppressing manufacturing costs.
- the sputtering method can be performed by the following method using a parallel plate type, single wafer type, passing type, DC sputtering, RF sputtering, or other sputtering apparatus.
- a substrate is attached to a sputtering apparatus in which a metal target is set.
- the inside of the sputtering apparatus is evacuated, and the Ar gas pressure is adjusted to a predetermined value.
- a predetermined sputtering current is passed through the metal target to form a metal film on the substrate.
- the metal layer 1 can be obtained by peeling the metal film from the substrate.
- the metal target one or two or more targets can be used depending on the composition of the metal layer 1 to be produced.
- Substrates used in the sputtering method include, for example, glass plates, ceramic plates, silicon wafers, and metal plates containing aluminum, stainless steel, and the like.
- the metal layer 1 can also be directly formed on the support 3 by sputtering.
- the thickness of the metal layer 1 obtained by sputtering is preferably 0.01 to 5 ⁇ m, more preferably 0.05 to 2 ⁇ m.
- the thickness of the metal layer 1 is preferably 0.01 to 5 ⁇ m, more preferably 0.05 to 2 ⁇ m.
- the material of the coat layer 2 is not particularly limited, and examples thereof include fluorine-based compounds, rubber-based polymers, silicone-based polymers, urethane-based polymers, and polyester-based polymers. At least one selected from the group consisting of polymers is preferred.
- fluorine compounds include fluoroalkyl group-containing compounds such as fluoroalkyl carboxylates, fluoroalkyl quaternary ammonium salts, and fluoroalkyl ethylene oxide adducts; perfluoroalkyl carboxylates, perfluoroalkyl quaternary ammonium salts, perfluoro Perfluoroalkyl group-containing compounds such as alkylethylene oxide adducts; tetrafluoroethylene/hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene/perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene polymer, vinylidene fluoride/tetrafluoroethylene copolymer Coalescence, vinylidene fluoride/hexafluoropropylene copolymer, fluorine-containing (meth)acrylic acid ester polymer, fluorine-containing (meth)acrylic acid alkyl ester
- Examples of rubber-based polymers include natural rubber, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, chloroprene rubber, polyisoprene rubber, polybutadiene rubber, ethylene-propylene rubber, ethylene-propylene-diene terpolymer rubber, chlorosulfonated polyethylene rubber, Examples include ethylene-vinyl acetate copolymer rubber.
- the "ELEPCOAT" series manufactured by Nitto Shinko Co., Ltd. may be used as the rubber-based polymer.
- silicone-based polymers include polydimethylsiloxane, alkyl-modified polydimethylsiloxane, carboxyl-modified polydimethylsiloxane, amino-modified polydimethylsiloxane, epoxy-modified polydimethylsiloxane, fluorine-modified polydimethylsiloxane, and (meth)acrylate-modified polydimethylsiloxane. etc.
- the coat layer 2 can be formed, for example, by applying a composition containing the material of the coat layer 2 onto the metal layer 1 and curing the composition.
- the method of applying the composition is not particularly limited, and examples thereof include roll coating, spin coating, dip coating, spray coating, bar coating, knife coating, die coating, inkjet, and gravure coating. be done.
- the solvent contained in the composition can be appropriately selected according to the raw material of the coat layer 2.
- a fluorine-based compound is used as the material of the coat layer 2
- one or a mixture of two or more of fluorine-based solvents, alcohol-based solvents, ether-based solvents, ester-based solvents, hydrocarbon-based solvents, etc. is used as a solvent. be able to.
- these solvents it is preferable to use a non-flammable and rapidly volatilizing fluorine-based solvent alone or in combination with another solvent.
- fluorine-based solvents examples include hydrofluoroethers, perfluoropolyethers, perfluoroalkanes, hydrofluoropolyethers, hydrofluorocarbons, perfluorocycloethers, perfluorocycloalkanes, hydrofluorocycloalkanes, xylene hexafluoride, hydro Examples include fluorochlorocarbons and perfluorocarbons.
- the thickness of the coat layer 2 is not particularly limited, but is preferably 0.1 ⁇ m or more, more preferably 0.3 ⁇ m or more, still more preferably 0.5 ⁇ m or more, and particularly preferably 1.0 ⁇ m or more. be.
- the thickness of the coating layer 2 is, for example, 80 ⁇ m or less, preferably 50 ⁇ m or less, more preferably 30 ⁇ m or less, still more preferably 20 ⁇ m or less, particularly preferably 10 ⁇ m or less, and particularly preferably 5 ⁇ m or less. is.
- the thickness of the coat layer 2 can be adjusted by the solid content concentration of the composition containing the material of the coat layer 2 and the number of times the composition is applied.
- Coat layer 2 is preferably non-porous.
- the support 3 is not particularly limited as long as it has hydrogen permeability and supports the metal layer 1, and is, for example, a porous body. However, the support 3 may be imperforate.
- the support 3 may be a woven fabric, a non-woven fabric, or the like.
- Materials for the support 3 include polyolefins such as polyethylene and polypropylene; polyesters such as polyethylene terephthalate and polyethylene naphthalate; polyarylethersulfones such as polysulfone and polyethersulfone; fluorine resins such as polytetrafluoroethylene and polyvinylidene fluoride; Epoxy resin; polyamide; polyimide, etc., and polysulfone or polytetrafluoroethylene, which are chemically and thermally stable, are preferred.
- the support 3 is preferably a porous body with an average pore size of 100 ⁇ m or less. Since this porous body has sufficient surface smoothness, the metal layer 1 having a uniform thickness can be easily formed when the metal layer 1 is directly formed on the porous body by a sputtering method or the like. At this time, the occurrence of pinholes or cracks in the metal layer 1 can also be suppressed.
- the thickness of the support 3 is not particularly limited, and is, for example, 5-1000 ⁇ m, preferably 10-300 ⁇ m.
- the permeation rate of hydrogen permeating through the first separation membrane 11 is not particularly limited.
- the permeation rate T H2 of hydrogen permeating the first separation membrane 11 is, for example, 5 GPU or more, preferably 10 GPU or more, more preferably 50 GPU or more, and still more preferably 100 GPU or more.
- the upper limit of the transmission speed T H2 is not particularly limited, and is, for example, 500 GPU.
- GPU means 10 ⁇ 6 ⁇ cm 3 (STP)/(sec ⁇ cm 2 ⁇ cmHg).
- cm 3 (STP) means the volume of gas at 1 atmosphere and 0°C.
- the permeation rate T H2 can be calculated by the following method. First, a mixed gas containing carbon dioxide and hydrogen is supplied to a space adjacent to one surface of the first separation membrane 11 (for example, the main surface 11a of the first separation membrane 11 on the coat layer side), and the first separation membrane 11 (eg, main surface 11b of first separation membrane 11 on the support side) is decompressed. Thereby, in the space adjacent to the other surface of the first separation membrane 11, the permeated gas that has passed through the first separation membrane 11 is obtained. The composition of the permeated gas, the weight of the permeated gas, etc. are measured. The permeation rate T H2 can be calculated from the measurement results.
- the concentration of hydrogen in the mixed gas is 50 vol % under standard conditions (0° C., 101 kPa).
- the mixed gas supplied to the space adjacent to one surface of the first separation membrane 11 has a temperature of 30° C. and a pressure of 0.1 MPa.
- the space adjacent to the other surface of the first separation membrane 11 is decompressed so that the pressure in the space is 0.1 MPa lower than the atmospheric pressure in the measurement environment.
- the separation coefficient ⁇ H2 of hydrogen with respect to carbon dioxide of the first separation membrane 11 is, for example, 20 or more, preferably 30 or more, more preferably 40 or more, and further Preferably it is 50 or more.
- the upper limit of the separation factor ⁇ H2 is not particularly limited, and is 100, for example.
- the first separation membrane 11 is not limited to the above hydrogen permeable membrane.
- the first separation membrane 11 when the gas A is carbon dioxide that is, the first separation membrane 11 that preferentially permeates carbon dioxide will be described.
- a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide may be referred to as a "carbon dioxide permeable membrane”.
- the first separation membrane 11 as a carbon dioxide permeation membrane has a separation function layer 5, for example.
- the first separation membrane 11 may further comprise a porous support 7 supporting the separation functional layer 5 and an intermediate layer 6 arranged between the separation functional layer 5 and the porous support 7. .
- the intermediate layer 6 is in direct contact with the separation functional layer 5 and the porous support 7, for example.
- the separation functional layer 5 is a layer that allows carbon dioxide to preferentially permeate.
- the separation functional layer 5 contains a resin.
- resins contained in the separation functional layer 5 include polyether block amide resins, polyamide resins, polyether resins, polyimide resins, cellulose acetate resins, silicone resins, and fluorine resins.
- the separation functional layer 5 preferably contains a polyether block amide resin. In this form, the separation functional layer 5 is preferably substantially made of resin.
- the separation functional layer 5 contains an ionic liquid.
- An ionic liquid is a salt (ionic compound) that is liquid at 25°C.
- the separation functional layer 5 has, for example, a double network gel containing an ionic liquid.
- a double network gel is a gel that has two types of network structures that are independent of each other.
- a double network gel includes, for example, a first network structure mainly composed of an organic material, a second network structure mainly composed of an inorganic material, and an ionic liquid.
- "mainly composed of” means that 50 wt% or more, or even 70 wt% or more is composed of the material.
- the organic material for forming the first network structure includes, for example, a polymer such as polyacrylamide (especially polydialkylacrylamide such as polydimethylacrylamide).
- the polymer contained in the organic material has a structural unit derived from an acrylamide derivative and may further contain a crosslinked structure.
- a polymer containing a crosslinked structure can be produced by a known method. For example, first, a prepolymer having structural units having N-hydroxysuccinimide ester groups is prepared. A structural unit having an N-hydroxysuccinimide ester group is derived from, for example, N-acryloxysuccinimide. Next, a polymer containing a crosslinked structure can be obtained by reacting the prepolymer with an amine-based crosslinking agent.
- Amine crosslinkers are compounds with two or more primary amino groups, such as ethylene glycol bis(3-aminopropyl) ether.
- the second network structure may include a network of multiple particles.
- a network of a plurality of particles is formed, for example, by bonding a plurality of particles to each other through hydrogen bonding.
- Particles included in the second network structure may be particles exemplified as nanoparticles to be described later.
- the particles included in the second network structure are silica particles.
- specific ionic liquids include, for example, ionic liquids having imidazolium, pyridinium, ammonium, or phosphonium and substituents having 1 or more carbon atoms.
- the substituent having 1 or more carbon atoms includes an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 14 carbon atoms, and a cycloalkyl group having 3 to 14 carbon atoms. 6 or more and 20 or less aryl groups, etc., which may be further substituted with a hydroxy group, a cyano group, an amino group, a monovalent ether group or the like (for example, a hydroxyalkyl group having 1 or more and 20 or less carbon atoms etc).
- alkyl groups having 1 to 20 carbon atoms include methyl group, ethyl group, n-propyl group, n-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, n-heptyl group, n-octyl group, n- nonyl group, n-decyl group, n-undecyl group, n-dodecyl group, n-tridecyl group, n-tetradecyl group, n-pentadecyl group, n-hexadecyl group, n-heptadecyl group, n-octadecyl group, n- nonadecyl group, n-eicosadecyl group, i-propyl group, sec-butyl group, i-butyl group, 1-methylbutyl group, 1-ethylpropyl group, 2-methylbutyl
- the above alkyl group may be substituted with a cycloalkyl group.
- the number of carbon atoms in the alkyl group substituted by the cycloalkyl group is, for example, 1 or more and 20 or less.
- Alkyl groups substituted by cycloalkyl groups include cyclopropylmethyl, cyclobutylmethyl, cyclohexylmethyl, cyclohexylpropyl groups and the like, which further include hydroxy, cyano, amino, monovalent ether It may be substituted with a group or the like.
- cycloalkyl groups having 3 to 14 carbon atoms include cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, cyclohexyl, cycloheptyl, cyclooctyl, cyclododecyl, norbornyl, bornyl and adamantyl groups. , and these may be further substituted with a hydroxy group, a cyano group, an amino group, a monovalent ether group, or the like.
- aryl group having 6 to 20 carbon atoms examples include phenyl, toluyl, xylyl, mesityl, anisyl, naphthyl, benzyl, etc. These are further hydroxy, cyano, amino, mono may be substituted with a valent ether group or the like.
- the compound having imidazolium and a substituent having 1 or more carbon atoms may further have a substituent such as an alkyl group, and may form a salt with a counter anion.
- Counter anions include alkylsulfate, tosylate, methanesulfonate, acetate, bis(fluorosulfonyl)imide, bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, thiocyanate, dicyanamide, tricyanometanide, tetracyanoborate, hexafluorophosphate, tetrafluoro Examples include borates and halides, and bis(fluorosulfonyl)imide, bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, dicyanamide, tricyanometanide, and tetracyanoborate are preferred from the viewpoint of gas separation performance.
- ionic liquids having imidazolium and substituents having 1 or more carbon atoms include 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide and 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide.
- 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide [EMI] [FSI]
- 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide [EMI] [DCA]
- 1-ethyl-3-methylimidazolium tricyanometanide [EMI][TCM]
- 1-ethyl-3-methylimidazolium tetracyanoborate [EMI][TCB]
- 1- butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide [C 4 mim][TF 2 N]
- 1-(2-hydroxyethyl)-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide [ C2OHim ][ TF2N ]
- the method for producing a double network gel is not particularly limited, and for example, the method disclosed in E.Kamio et al., Adv.Mater, 29, 1704118 (2017) can be used.
- the content of the ionic liquid in the double network gel is, for example, 50 wt% or more, preferably 60 wt% or more, more preferably 70 wt% or more, and still more preferably 80 wt% or more.
- the upper limit of the content of the ionic liquid is not particularly limited, and is, for example, 95 wt%.
- the content of the first network structure mainly composed of an organic material in the double network gel is, for example, 1 wt% or more, preferably 5 wt% or more, and more preferably 10 wt% or more.
- the upper limit of the content of the first network structure is, for example, 15 wt%.
- the content of the second network structure mainly composed of an inorganic material in the double network gel is, for example, 1 wt % or more from the viewpoint of improving the strength of the double network gel.
- the upper limit of the content of the second network structure is, for example, 5 wt%.
- the ratio of the sum of the weight of the first network structure and the weight of the second network structure to the weight of the double network gel is, for example, 2 wt% or more, preferably 5 wt% or more, and more preferably 10 wt% or more. . This proportion is preferably less than or equal to 20 wt%.
- the separation functional layer 5 preferably consists essentially of a double network gel.
- the thickness of the separation functional layer 5 is, for example, 50 ⁇ m or less, preferably 25 ⁇ m or less, more preferably 15 ⁇ m or less.
- the thickness of the separation function layer 5 may be 10 ⁇ m or less, 5.0 ⁇ m or less, or 2.0 ⁇ m or less depending on the case.
- the thickness of the separation functional layer 5 may be 0.05 ⁇ m or more, or may be 0.1 ⁇ m or more.
- the intermediate layer 6 contains, for example, a resin, and may further contain nanoparticles dispersed in the resin (matrix).
- the nanoparticles may be spaced apart from each other within the matrix or may be partially aggregated.
- the material of the matrix is not particularly limited, and examples thereof include silicone resins such as polydimethylsiloxane; fluorine resins such as polytetrafluoroethylene; epoxy resins such as polyethylene oxide; polyimide resins; polyacetylene resins such as; and polyolefin resins such as polymethylpentene.
- the matrix preferably contains a silicone resin.
- the nanoparticles may contain inorganic materials or organic materials.
- Inorganic materials included in nanoparticles include, for example, silica, titania, and alumina.
- the nanoparticles preferably contain silica.
- the thickness of the intermediate layer 6 is not particularly limited, and is, for example, less than 50 ⁇ m, preferably 40 ⁇ m or less, more preferably 30 ⁇ m or less.
- the lower limit of the thickness of the intermediate layer 6 is not particularly limited, and is, for example, 1 ⁇ m.
- the intermediate layer 6 is, for example, a layer having a thickness of less than 50 ⁇ m.
- Porous support 7 supports the separation functional layer 5 with the intermediate layer 6 interposed therebetween.
- Porous support 7 includes, for example, nonwoven fabric; porous polytetrafluoroethylene; aromatic polyamide fiber; porous metal; sintered metal; porous ceramic; silicone; silicone rubber; permeation containing at least one selected from the group consisting of polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, polyurethane, polypropylene, polyethylene, polystyrene, polycarbonate, polysulfone, polyetheretherketone, polyacrylonitrile, polyimide and polyphenylene oxide open-celled or closed-celled metal foams; open-celled or closed-celled polymeric foams; silica; porous glass;
- the porous support 7 may be a combination of two or more of these.
- the porous support 7 has an average pore size of, for example, 0.01-0.4 ⁇ m.
- the thickness of the porous support 7 is not particularly limited, and is, for example, 10 ⁇ m or more, preferably 20 ⁇ m or more, and more preferably 50 ⁇ m or more.
- the thickness of the porous support 7 is, for example, 300 ⁇ m or less, preferably 200 ⁇ m or less, more preferably 150 ⁇ m or less.
- the first separation membrane 11 can be produced, for example, by the following method. First, a coating liquid containing the material for the intermediate layer 6 is prepared. Next, a coating liquid containing the material of the intermediate layer 6 is applied onto the porous support 7 to form a coating film.
- a method for applying the coating liquid is not particularly limited, and a wire bar or the like can be used, for example.
- the thickness of the intermediate layer 6 to be formed can be adjusted by adjusting the wire diameter of the wire bar and the concentration of the material of the intermediate layer 6 in the coating liquid. Alternatively, the coating film may be formed by immersing the porous support 7 in the coating liquid. Next, the coating film is dried to form the intermediate layer 6 .
- the coating film can be dried, for example, under heating conditions. The heating temperature of the coating film is, for example, 50° C. or higher.
- the heating time of the coating film is, for example, 1 minute or longer, and may be 5 minutes or longer.
- the surface of the intermediate layer 6 can be subjected to an easy-adhesion treatment as necessary.
- Surface treatments such as application of a primer, corona discharge treatment, plasma treatment, etc. may be applied as the adhesion-promoting treatment.
- a coating liquid containing the material for the separation functional layer 5 is prepared.
- a coating liquid containing the material of the separation functional layer 5 is applied onto the intermediate layer 6 to obtain a coating film.
- This coating film is dried to form the separation functional layer 5 .
- the coating method and drying conditions of the coating liquid the methods and conditions described above for the intermediate layer 6 can be used.
- the coating liquid containing the material of the separation functional layer 5 may be applied by spin coating. Thereby, the first separation membrane 11 is obtained.
- the method of manufacturing the first separation membrane 11 is not limited to the above method.
- the first separation membrane 11 can also be produced by the following method. For example, a coating liquid containing the material of the separation functional layer 5 is applied onto the transfer film to obtain a coating film. The separation functional layer 5 is formed by drying the coating film. Next, the intermediate layer 6 is formed by applying a coating liquid containing the material of the intermediate layer 6 onto the separation functional layer 5 and drying it. A laminate of the intermediate layer 6 and the separation functional layer 5 is transferred to the porous support 7 . Thereby, the first separation membrane 11 is obtained.
- the permeation rate of carbon dioxide permeating through the first separation membrane 11 is not particularly limited.
- the permeation rate T CO2 of carbon dioxide permeating the first separation membrane 11 is, for example, 5 GPU or more, preferably 10 GPU or more, more preferably 50 GPU or more, and still more preferably 100 GPU or more.
- the upper limit of the permeation rate T CO2 is not particularly limited, and is, for example, 500 GPU.
- the permeation rate T CO2 can be calculated by the following method. First, a mixed gas containing carbon dioxide and hydrogen is supplied to a space adjacent to one surface of the first separation membrane 11 (for example, the main surface 11a of the first separation membrane 11 on the separation functional layer side), and the first separation is performed. A space adjacent to the other surface of the membrane 11 (for example, the main surface 11b of the first separation membrane 11 on the porous support side) is decompressed. Thereby, in the space adjacent to the other surface of the first separation membrane 11, the permeated gas that has passed through the first separation membrane 11 is obtained. The composition of the permeated gas, the weight of the permeated gas, etc. are measured. The permeation rate T CO2 can be calculated from the measurement results.
- the concentration of carbon dioxide in the mixed gas is 50 vol% under standard conditions (0°C, 101 kPa).
- the mixed gas supplied to the space adjacent to one surface of the first separation membrane 11 has a temperature of 30° C. and a pressure of 0.1 MPa.
- the space adjacent to the other surface of the first separation membrane 11 is decompressed so that the pressure in the space is 0.1 MPa lower than the atmospheric pressure in the measurement environment.
- the separation coefficient ⁇ CO2 of carbon dioxide with respect to hydrogen of the first separation membrane 11 is, for example, 20 or more, preferably 30 or more, more preferably 40 or more, and further Preferably it is 50 or more.
- the upper limit of the separation factor ⁇ CO2 is not particularly limited, and is 100, for example.
- the second separation membrane unit 20 includes a second separation membrane 21 and a tank 22 .
- Tank 22 has a third chamber 23 and a fourth chamber 24 .
- the space within the third chamber 23 corresponds to the supply side space, and the space within the fourth chamber 24 corresponds to the permeation side space.
- the second separation membrane 21 is arranged inside the tank 22 . Inside the tank 22 , the second separation membrane 21 separates the third chamber 23 and the fourth chamber 24 .
- the second separation membrane 21 extends from one of the pair of wall surfaces of the tank 22 to the other.
- the third chamber 23 has an entrance 23a and an exit 23b.
- the fourth chamber 24 has an outlet 24a.
- An inlet 23 a of the third chamber 23 is an opening for supplying the first non-permeating gas 81 to the second separation membrane unit 20 .
- the outlet 24 a of the fourth chamber 24 is an opening for discharging the second permeable gas 90 obtained by the permeation of the first non-permeable gas 81 through the second separation membrane 21 from the second separation membrane unit 20 .
- the outlet 23 b of the third chamber 23 is an opening for discharging the first non-permeable gas 81 (second non-permeable gas 91 ) that has not permeated the second separation membrane 21 from the second separation membrane unit 20 .
- Each of the inlet 23a, the outlet 23b, and the outlet 24a is formed in the wall surface of the tank 22, for example.
- the second separation membrane 21 can preferentially permeate the gas B contained in the first non-permeable gas 81 .
- the gas B is carbon dioxide
- the second separation membrane 21 that preferentially permeates carbon dioxide the carbon dioxide permeable membrane described above for the first separation membrane 11 can be used.
- the hydrogen-permeable membrane described above for the first separation membrane 11 can be used.
- the second separation membrane 21 is, for example, a carbon dioxide permeation membrane.
- the first separation membrane 11 is a carbon dioxide permeation membrane
- the second separation membrane 21 is, for example, a hydrogen permeation membrane.
- either one of the first separation membrane 11 and the second separation membrane 21 may be a hydrogen-permeable membrane and include a metal layer containing metal.
- Either one of the first separation membrane 11 and the second separation membrane 21 is a carbon dioxide permeable membrane and may have a separation functional layer containing a polyether block amide resin or an ionic liquid.
- the first separation membrane unit 10 and the second separation membrane unit 20 included in the gas separation system 100 are suitable for a flow-through (continuous) membrane separation method. However, these separation membrane units may also be used for batch-type membrane separation methods.
- the method for separating the mixed gas 70 includes a first separation step using the first separation membrane 11, a second separation step using the second separation membrane 21, and a recovery step of recovering the second permeable gas 90 and the second non-permeable gas 91, respectively.
- the first separation step is performed as follows. First, the mixed gas 70 is supplied to the first chamber 13 (supply side space) of the first separation membrane unit 10 through the mixed gas supply path 30 .
- the mixed gas 70 is pressurized by, for example, the pressurizing device 40 and supplied to the first chamber 13 .
- the pressure of the mixed gas 70 pressurized by the pressurizing device 40 that is, the pressure in the supply-side space of the first separation membrane unit 10 is, for example, 0.1 MPa or more, preferably 0.5 MPa or more. It may be 0 MPa or more.
- the upper limit of the pressure of the mixed gas 70 is not particularly limited, and is, for example, 10.0 MPa. In this specification, unless otherwise specified, "pressure" means absolute pressure.
- Mixed gas 70 includes Gas A and Gas B, as described above.
- gas A is hydrogen and gas B is carbon dioxide
- gas A is carbon dioxide
- gas B is hydrogen
- Mixed gas 70 is typically an exhaust gas from a chemical plant, such as an exhaust gas produced by a shift reaction.
- gas separation system 100 of this embodiment can also be used to separate mixed gases 70 having compositions other than those described above.
- gas A or gas B may be one type of gas selected from nonpolar gases such as nitrogen, methane, and oxygen, inert gases such as helium, and acidic gases other than carbon dioxide.
- acid gases other than carbon dioxide include hydrogen sulfide, carbonyl sulfide, sulfur oxides (SO x ), hydrogen cyanide, nitrogen oxides (NO x ), and the like.
- the content of gas A in the mixed gas 70 is, for example, 10 vol% or more, may be 25 vol% or more, may be 40 vol% or more, or may be 50 vol% or more.
- the upper limit of the content of gas A in mixed gas 70 is not particularly limited, and is, for example, 75 vol %.
- the content of the gas B in the mixed gas 70 is, for example, 10 vol% or more, may be 25 vol% or more, may be 40 vol% or more, or may be 50 vol% or more.
- the upper limit of the content of gas B in mixed gas 70 is not particularly limited, and is, for example, 75 vol %.
- the ratio of the volume of gas A to the total value of the volumes of gas A and gas B is not particularly limited, and is, for example, 25 to 75 vol%.
- “content” and “volume” mean values under standard conditions (0°C, 101 kPa).
- the mixed gas 70 supplied to the first chamber 13 of the first separation membrane unit 10 is separated by the first separation membrane 11 .
- the first permeating gas 80 is supplied to the second chamber 14 .
- the first permeable gas 80 supplied to the second chamber 14 is discharged to the outside of the first separation membrane unit 10 through the outlet 14a.
- the first permeating gas 80 is discharged from the discharge port 42 through the discharge path 34 .
- the first separation membrane 11 of the first separation membrane unit 10 preferentially permeates the gas A contained in the mixed gas 70 . Therefore, the first permeable gas 80 obtained in the first separation membrane unit 10 has a higher content of gas A than the mixed gas 70 .
- the content of gas A in the first permeable gas 80 is not particularly limited, and is, for example, 50 to 99 vol %.
- the ratio of the gas A content (vol %) in the first permeable gas 80 to the gas A content (vol %) in the mixed gas 70 is not particularly limited, and is, for example, 2-9.
- the membrane area of the first separation membrane 11 is set smaller than that of the second separation membrane 21. Therefore, the volume of the first permeable gas 80 processed by the first separation membrane 11 tends to be relatively small.
- the ratio of the volume of the first permeable gas 80 separated by the first separation membrane 11 to the volume of the mixed gas 70 supplied to the first separation membrane unit 10 is not particularly limited. 50 vol %. In the above ratio, the volumes of the mixed gas 70 and the first permeable gas 80 are values under standard conditions (0° C., 101 kPa).
- the concentration of the gas B in the mixed gas 70 gradually increases from the inlet 13a of the first chamber 13 toward the outlet 13b.
- the content of gas B in the mixed gas 70 (first non-permeable gas 81) processed in the first chamber 13 is not particularly limited, and is, for example, 25 to 75 vol%.
- the first non-permeable gas 81 is discharged to the outside of the first separation membrane unit 10 through the outlet 13b.
- the first non-permeable gas 81 is supplied to the second separation membrane unit 20 through the non-permeable gas supply path 32 .
- the second separation process is performed as follows.
- the first non-permeable gas 81 is supplied to the third chamber 23 (supply side space) of the second separation membrane unit 20 through the non-permeable gas supply path 32 .
- the first non-permeating gas 81 has, for example, the same pressure as the mixed gas 70 supplied to the first separation membrane unit 10 .
- the pressure of the first non-permeating gas 81 that is, the pressure in the supply-side space of the second separation membrane unit 20 is, for example, 0.1 MPa or more, preferably 0.5 MPa or more, or 1.0 MPa or more. good too.
- the upper limit of the pressure of the first non-permeable gas 81 is not particularly limited, and is, for example, 10.0 MPa.
- the first non-permeable gas 81 supplied to the third chamber 23 of the second separation membrane unit 20 is separated by the second separation membrane 21 .
- the second permeating gas 90 is supplied to the fourth chamber 24 .
- the second permeating gas 90 supplied to the fourth chamber 24 is discharged to the outside of the second separation membrane unit 20 through the outlet 24a.
- the second permeating gas 90 is sent to the first recovery section 44 through the first recovery path 36 .
- the second separation membrane 21 of the second separation membrane unit 20 preferentially permeates the gas B contained in the first non-permeable gas 81 . Therefore, the second permeable gas 90 obtained by the second separation membrane unit 20 has a higher gas B content than the first non-permeable gas 81 .
- the content of the gas B in the second permeable gas 90 is not particularly limited, and is, for example, 70 vol% or more, preferably 80 vol% or more, more preferably 90 vol% or more, and still more preferably 95 vol% or more. .
- the content of gas B in the second permeable gas 90 is preferably 70 vol % or more.
- the ratio of the gas B content (vol %) in the second permeable gas 90 to the gas B content (vol %) in the first non-permeable gas 81 is not particularly limited, and is, for example, 2-9.
- the volume ratio of the second permeable gas 90 separated by the second separation membrane 21 to the volume of the first non-permeable gas 81 supplied to the second separation membrane unit 20 is not particularly limited, and is, for example, 50 to 95 vol%. is. The above ratio may be 2.5-50 vol %. In the above ratio, the volumes of the first non-permeable gas 81 and the second permeable gas 90 are values under standard conditions (0° C., 101 kPa).
- the concentration of gas A in the first non-permeating gas 81 gradually increases from the inlet 23a of the third chamber 23 toward the outlet 23b.
- the content of the gas A in the first non-permeable gas 81 (second non-permeable gas 91) processed in the third chamber 23 is not particularly limited, and is, for example, 70 vol% or more, preferably 80 vol% or more, More preferably 90 vol% or more, still more preferably 95 vol% or more.
- the content of gas A in the second impermeable gas 91 is preferably 70 vol % or more.
- the second non-permeable gas 91 is discharged to the outside of the second separation membrane unit 20 through the outlet 23b.
- the second non-permeating gas 91 is sent to the second recovery section 46 through the second recovery path 38 .
- the first separation step and the second separation step are, for example, continuously performed. That is, the first non-permeating gas 81 separated in the first separation step is immediately supplied to the second separation step without being collected in a tank or the like.
- the throughput of the mixed gas 70 per unit time can be easily increased.
- the second permeation gas 90 in which the gas B is concentrated is recovered by the first recovery unit 44 .
- the second recovery unit 46 recovers the second non-permeating gas 91 in which the gas A is concentrated.
- the recovery rate of the gas B by the second permeable gas 90 is not particularly limited, and is, for example, 70% or more, preferably 80% or more, more preferably 90% or more, and still more preferably 95% or more.
- the recovery rate of the gas A by the second non-permeating gas 91 is not particularly limited, and is, for example, 60% or more, preferably 70% or more, more preferably 80% or more, and still more preferably 90% or more. be.
- the recovery rate means the ratio of the weight of the recovered gas to the weight of the specific gas contained in the mixed gas.
- weight means the value in a standard state (0 degreeC, 101 kPa).
- the membrane area of the first separation membrane is usually set to be approximately the same as the membrane area of the second separation membrane, and the first permeated gas that has permeated the first separation membrane and the second separation The second permeated gas that has permeated the membrane is recovered.
- this method in order to improve the recovery rates of gas A and gas B, it is necessary to greatly increase the membrane areas of the first separation membrane and the second separation membrane.
- the membrane area of these separation membranes increases, not only does the manufacturing cost increase, but the content of gas A in the first permeable gas and the content of gas B in the second permeable gas tend to decrease.
- the membrane area of the first separation membrane 11 is set smaller than the membrane area of the second separation membrane 21, and furthermore, the second permeable gas 90 and the second non-permeable gas Gas 91 is recovered.
- each of the gas A and the gas B can be separated with high purity and high purity without greatly increasing the total value of the membrane area of the first separation membrane 11 and the membrane area of the second separation membrane 21. It tends to be recoverable at a recovery rate.
- the gas separation system 100 of this embodiment is suitable for efficiently separating a mixed gas.
- the membrane area M1 of the first separation membrane 11 and the membrane area M2 of the second separation membrane 21 satisfy the following relational expression (1).
- the following relational expression (2) or the following relational expression (3) may be satisfied instead of or together with the relational expression (1).
- T1 means the permeation rate of gas A passing through the first separation membrane 11
- T2 means the permeation rate of gas B passing through the second separation membrane 21 .
- ⁇ 1 means the separation factor of gas A with respect to gas B of the first separation membrane 11
- ⁇ 2 means the separation factor of gas B with respect to gas A of the second separation membrane 21 .
- the permeation rates T1 and T2 and the separation factors ⁇ 1 and ⁇ 2 can be measured by the same method as described above for the hydrogen permeable membrane, except that a mixed gas consisting of gas A and gas B is used.
- the first separation membrane unit 10 may be a spiral membrane element as shown in FIG.
- the first separation membrane unit 15 of FIG. 5 has a central tube 16 and a laminate 17 .
- a laminate 17 includes a first separation membrane 11 .
- the central tube 16 has a cylindrical shape. A plurality of holes or slits are formed on the surface of the central tube 16 to allow the first permeating gas 80 to flow into the central tube 16 .
- materials for the central tube 16 include resins such as acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer resin (ABS resin), polyphenylene ether resin (PPE resin), and polysulfone resin (PSF resin); and metals such as stainless steel and titanium. be done.
- the inner diameter of the central tube 16 is, for example, in the range of 20-100 mm.
- the laminate 17 further includes a feed-side channel material 18 and a permeate-side channel material 19. Laminate 17 is wound around central tube 16 .
- the first separation membrane unit 15 may further include an exterior material (not shown).
- a resin made of polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (PET), polyphenylene sulfide (PPS) or ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE) is used as the feed side channel material 18 and the permeate side channel material 19, for example.
- a resin made of polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate (PET), polyphenylene sulfide (PPS) or ethylene-chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE) is used as the feed side channel material 18 and the permeate side channel material 19.
- Membrane separation using the first separation membrane unit 15 is performed, for example, by the following method.
- the first permeating gas 80 that has permeated the first separation membrane 11 of the laminate 17 moves into the central tube 16 .
- the first permeating gas 80 is discharged outside through the central tube 16 .
- the mixed gas 70 (first non-permeable gas 81 ) processed by the first separation membrane unit 15 is discharged outside from the other end of the wound laminate 17 .
- the second separation membrane unit 20 may be a spiral membrane element having the same configuration as the first separation membrane unit 15.
- the mixed gas supply conditions and the carbon dioxide recovery conditions were set as follows. It is assumed that the mixed gas is pressurized from the atmospheric pressure (101.33 kPa) in the external environment to 1 MPa by a pressurizing device arranged in the mixed gas supply path.
- Flow rate: 1016.47 Nm 3 /hr Composition (volume ratio): CO2 / H2 50/50 CO2 weight: 1000kg/hr H2 weight: 45.81 kg/hr Pressure: 1MPa
- the gas separation system 200 includes a first separation membrane unit 210 containing a first separation membrane 211 and a second separation membrane unit 220 containing a second separation membrane 221 .
- the first separation membrane 211 and the second separation membrane 221 respectively correspond to the first separation membrane 11 and the second separation membrane 21 of the gas separation system 100 of FIG.
- the second separation membrane 221 is configured to separate the first permeable gas that has permeated the first separation membrane 211 into a second permeable gas and a second non-permeable gas.
- the gas separation system 200 includes a mixed gas supply route 230 , a first recovery route 232 , a permeated gas supply route 234 , an exhaust route 236 and a second recovery route 238 .
- the mixed gas supply route 230 is a route for supplying the mixed gas to the first separation membrane unit 210 .
- a pressure device 240 for pressurizing the mixed gas is arranged in the mixed gas supply path 230 .
- the first recovery path 232 is connected to the non-permeable gas outlet of the first separation membrane unit 210 and is a path for recovering the first non-permeable gas from the first separation membrane unit 210 .
- the permeated gas supply path 234 is connected to the permeated gas outlet of the first separation membrane unit 210 and the permeated gas inlet of the second separation membrane unit 220 to supply the first permeated gas from the first separation membrane unit 210 to the second separation membrane unit 220. is a route for supplying A pressurizing device 242 for increasing the pressure of the first permeating gas is arranged in the permeating gas supply path 234 .
- the discharge path 236 is connected to the permeated gas outlet of the second separation membrane unit 220 and is a path for discharging the second permeated gas from the second separation membrane unit 220 .
- the second recovery path 238 is connected to the non-permeating gas outlet of the second separation membrane unit 220 and is a path for recovering the second non-permeating gas from the second separation membrane unit 220 .
- Calculation Example 3 uses a carbon dioxide permeable membrane as the first separation membrane 211, uses a hydrogen permeable membrane as the second separation membrane 221, and recovers the first non-permeable gas and the second non-permeable gas. assumed.
- a gas separation system for this assumption is sometimes referred to as Model 2.
- a simulation of Calculation Example 3 was performed in the same manner as in Calculation Example 1, except that Model 2 was used.
- the pressure of the first permeated gas that permeates the first separation membrane 211 usually matches the atmospheric pressure in the external environment. Therefore, in Calculation Example 3, it was assumed that the pressure of the first permeating gas was increased to 1 MPa by the pressurizing device 242 arranged in the permeating gas supply path 234 . That is, in Calculation Example 3, it was assumed that the pressurization device 240 pressurized the mixed gas and the pressurization device 242 pressurized the first permeated gas.
- Carbon dioxide purity CO2 content in the first permeate gas
- carbon dioxide recovery ratio of CO2 weight in the first permeate gas to CO2 weight in the mixed gas
- hydrogen purity The H2 content in the second permeate gas
- recovery rate of hydrogen the ratio of the H2 weight in the second permeate gas to the H2 weight in the mixed gas
- a gas separation system 300 includes a separation membrane unit 310 containing a separation membrane 311 .
- the separation membrane 311 corresponds to the first separation membrane 11 of the gas separation system 100 of FIG.
- Gas separation system 300 has the same configuration as gas separation system 100 in FIG. 1 except that it does not include a second separation membrane unit.
- the gas separation system 300 includes a mixed gas supply path 330 , a first recovery path 332 and a second recovery path 334 .
- Mixed gas supply path 330 is a path for supplying mixed gas to separation membrane unit 310 .
- a pressure device 340 for pressurizing the mixed gas is arranged in the mixed gas supply path 330 .
- the first recovery path 332 is connected to the permeation gas outlet of the separation membrane unit 310 and is a path for recovering the permeation gas from the separation membrane unit 310 .
- the second recovery path 334 is connected to the non-permeating gas outlet of the separation membrane unit 310 and is a path for recovering the non-permeating gas from the separation membrane unit 310 .
- Calculation Example 6 it is assumed that a hydrogen permeable membrane is used as the separation membrane and that the permeable gas and the non-permeable gas are recovered.
- a gas separation system for this assumption is sometimes referred to as Model 4.
- a simulation of Calculation Example 6 was performed in the same manner as in Calculation Example 1, except that Model 4 was used.
- the membrane area of the separation membrane required to separate the mixed gas using the gas separation system, the purity of hydrogen (H 2 content in the permeated gas), and the recovery rate of hydrogen (mixed gas The ratio of the H2 weight in the permeate gas to the H2 weight in the permeate gas) was calculated. Table 1 shows the results.
- the gas separation system of this embodiment is suitable for separating a mixed gas, such as a mixed gas containing carbon dioxide and hydrogen.
- a mixed gas such as a mixed gas containing carbon dioxide and hydrogen.
- the gas separation system of the present embodiment is suitable for processing off-gases from chemical plants.
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Abstract
Description
本発明は、ガス分離システム及び混合ガスの分離方法に関する。 The present invention relates to a gas separation system and a mixed gas separation method.
化学品を製造する化学プラントなどでは、例えば、二酸化炭素や水素などを含む混合ガスが排出される。環境規制や資源の有効活用などの観点から、混合ガスについては、各成分を分離し、回収することが望ましい。 At chemical plants that manufacture chemicals, for example, mixed gases containing carbon dioxide and hydrogen are emitted. From the viewpoint of environmental regulations and effective use of resources, it is desirable to separate and recover each component of the mixed gas.
混合ガスから各成分を分離する方法として、膜分離法が開発されている。膜分離法は、混合ガスに含まれる特定の成分を吸収剤に吸収させて分離する吸収法と比べて、運転コストを抑えながら各成分を効率的に分離することができる。 A membrane separation method has been developed as a method for separating each component from a mixed gas. The membrane separation method can efficiently separate each component while suppressing the operating cost, compared to the absorption method in which specific components contained in the mixed gas are separated by being absorbed by an absorbent.
膜分離法では、複数の分離膜を組み合わせたガス分離システムが利用されることがある。例えば、特許文献1には、二酸化炭素分離膜及び水素分離膜を備えたガス製造システムが開示されている。特許文献1には、水素及び二酸化炭素を含む生成ガスを二酸化炭素分離膜で処理し、二酸化炭素分離膜を透過しなかった非透過ガスを水素分離膜でさらに処理することが記載されている。特許文献1のガス製造システムでは、二酸化炭素分離膜を透過した二酸化炭素と、水素分離膜を透過した水素とがそれぞれ製品ガスとして回収される。
In the membrane separation method, a gas separation system that combines multiple separation membranes is sometimes used. For example,
従来のガス分離システムにおいて、混合ガスから分離された各成分の回収率を向上させるためには、ガス分離システムが備える分離膜の膜面積を大きく増加させる必要がある。しかし、分離膜の膜面積が増加すると、分離膜の製造コストが増加するだけでなく、分離膜を透過した透過ガスにおける目的の成分の含有率(純度)が低下する傾向がある。 In the conventional gas separation system, in order to improve the recovery rate of each component separated from the mixed gas, it is necessary to greatly increase the membrane area of the separation membrane provided in the gas separation system. However, when the membrane area of the separation membrane increases, not only does the production cost of the separation membrane increase, but the content (purity) of the target component in the permeated gas that has passed through the separation membrane tends to decrease.
そこで本発明は、混合ガスを効率的に分離することに適したガス分離システムの提供を目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a gas separation system suitable for efficiently separating a mixed gas.
本発明は、
混合ガスを第1透過ガスと第1非透過ガスとに分離する第1分離膜と、
前記第1非透過ガスを第2透過ガスと第2非透過ガスとに分離する第2分離膜と、
を備え、
前記混合ガスは、ガスAと、前記ガスAとは異なるガスBとを含み、
前記第1分離膜は、前記ガスAを優先的に透過させることができ、
前記第2分離膜は、前記ガスBを優先的に透過させることができ、
前記第1分離膜の膜面積は、前記第2分離膜の膜面積よりも小さく、
前記第2透過ガス及び前記第2非透過ガスをそれぞれ回収する、ガス分離システムを提供する。
The present invention
a first separation membrane that separates the mixed gas into a first permeable gas and a first non-permeable gas;
a second separation membrane that separates the first non-permeable gas into a second non-permeable gas and a second non-permeable gas;
with
The mixed gas includes a gas A and a gas B different from the gas A,
The first separation membrane can preferentially permeate the gas A,
The second separation membrane can preferentially permeate the gas B,
the membrane area of the first separation membrane is smaller than the membrane area of the second separation membrane,
A gas separation system is provided for recovering the second permeate gas and the second non-permeate gas, respectively.
さらに本発明は、
ガスAを優先的に透過させることができる第1分離膜によって、前記ガスAと、前記ガスAとは異なるガスBとを含む混合ガスを第1透過ガスと第1非透過ガスとに分離する第1分離工程と、
前記ガスBを優先的に透過させることができる第2分離膜によって、前記第1非透過ガスを第2透過ガスと第2非透過ガスとに分離する第2分離工程と、
前記第2透過ガス及び前記第2非透過ガスをそれぞれ回収する回収工程と、
を含み、
前記第1分離膜の膜面積が前記第2分離膜の膜面積よりも小さい、混合ガスの分離方法を提供する。
Furthermore, the present invention
A mixed gas containing the gas A and a gas B different from the gas A is separated into a first permeable gas and a first non-permeable gas by a first separation membrane capable of preferentially permeating the gas A. a first separation step;
a second separation step of separating the first non-permeable gas into a second non-permeable gas and a second non-permeable gas by a second separation membrane capable of preferentially permeating the gas B;
a recovery step of recovering the second permeable gas and the second non-permeable gas, respectively;
including
A mixed gas separation method is provided in which the membrane area of the first separation membrane is smaller than the membrane area of the second separation membrane.
本発明によれば、混合ガスを効率的に分離することに適したガス分離システムを提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a gas separation system suitable for efficiently separating a mixed gas.
本発明の第1態様にかかるガス分離システムは、
混合ガスを第1透過ガスと第1非透過ガスとに分離する第1分離膜と、
前記第1非透過ガスを第2透過ガスと第2非透過ガスとに分離する第2分離膜と、
を備え、
前記混合ガスは、ガスAと、前記ガスAとは異なるガスBとを含み、
前記第1分離膜は、前記ガスAを優先的に透過させることができ、
前記第2分離膜は、前記ガスBを優先的に透過させることができ、
前記第1分離膜の膜面積は、前記第2分離膜の膜面積よりも小さく、
前記第2透過ガス及び前記第2非透過ガスをそれぞれ回収する。
The gas separation system according to the first aspect of the present invention comprises
a first separation membrane that separates the mixed gas into a first permeable gas and a first non-permeable gas;
a second separation membrane that separates the first non-permeable gas into a second non-permeable gas and a second non-permeable gas;
with
The mixed gas includes a gas A and a gas B different from the gas A,
The first separation membrane can preferentially permeate the gas A,
The second separation membrane can preferentially permeate the gas B,
the membrane area of the first separation membrane is smaller than the membrane area of the second separation membrane,
The second permeable gas and the second non-permeable gas are each recovered.
本発明の第2態様において、例えば、第1態様にかかるガス分離システムでは、前記第2分離膜の前記膜面積に対する前記第1分離膜の前記膜面積の比が10/90以下である。 In the second aspect of the present invention, for example, in the gas separation system according to the first aspect, the ratio of the membrane area of the first separation membrane to the membrane area of the second separation membrane is 10/90 or less.
本発明の第3態様において、例えば、第1又は第2態様にかかるガス分離システムでは、(i)前記ガスAが水素であり、かつ前記ガスBが二酸化炭素である、又は(ii)前記ガスAが二酸化炭素であり、かつ前記ガスBが水素である、が成立する。 In a third aspect of the present invention, for example, in the gas separation system according to the first or second aspect, (i) said gas A is hydrogen and said gas B is carbon dioxide, or (ii) said gas A is carbon dioxide and said gas B is hydrogen.
本発明の第4態様において、例えば、第1~第3態様のいずれか1つにかかるガス分離システムでは、前記第2透過ガスにおける前記ガスBの含有率が70vol%以上であり、前記第2非透過ガスにおける前記ガスAの含有率が70vol%以上である。 In the fourth aspect of the present invention, for example, in the gas separation system according to any one of the first to third aspects, the content of the gas B in the second permeating gas is 70 vol% or more, and the second The content of the gas A in the impermeable gas is 70 vol % or more.
本発明の第5態様において、例えば、第1~第4態様のいずれか1つにかかるガス分離システムでは、前記第2透過ガスによる前記ガスBの回収率が70%以上であり、前記第2非透過ガスによる前記ガスAの回収率が60%以上である。 In the fifth aspect of the present invention, for example, in the gas separation system according to any one of the first to fourth aspects, the recovery rate of the gas B by the second permeating gas is 70% or more, and the second The recovery rate of the gas A by the non-permeating gas is 60% or more.
本発明の第6態様において、例えば、第1~第5態様のいずれか1つにかかるガス分離システムでは、前記混合ガスにおいて、前記ガスAの体積と前記ガスBの体積との合計値に対する、前記ガスAの前記体積の比率が25~75vol%である。 In the sixth aspect of the present invention, for example, in the gas separation system according to any one of the first to fifth aspects, in the mixed gas, for the total value of the volume of the gas A and the volume of the gas B, The volume ratio of the gas A is 25-75 vol %.
本発明の第7態様において、例えば、第1~第6態様のいずれか1つにかかるガス分離システムは、前記第1分離膜を収容する第1分離膜ユニットと、前記第1分離膜ユニットに接続され、前記第1分離膜ユニットに前記混合ガスを供給するための混合ガス供給経路と、前記混合ガス供給経路に配置され、前記混合ガスを昇圧する加圧装置と、をさらに備える。 In a seventh aspect of the present invention, for example, the gas separation system according to any one of the first to sixth aspects includes a first separation membrane unit containing the first separation membrane, and It further comprises a mixed gas supply path connected to supply the mixed gas to the first separation membrane unit, and a pressurizing device arranged in the mixed gas supply path for pressurizing the mixed gas.
本発明の第8態様において、例えば、第1~第7態様のいずれか1つにかかるガス分離システムは、前記第2分離膜を収容する第2分離膜ユニットと、前記第2透過ガスを回収する第1回収部と、前記第2分離膜ユニット及び前記第1回収部に接続され、前記第1回収部に前記第2透過ガスを送るための第1回収経路と、をさらに備える。 In the eighth aspect of the present invention, for example, the gas separation system according to any one of the first to seventh aspects includes a second separation membrane unit containing the second separation membrane, and recovering the second permeated gas and a first recovery path connected to the second separation membrane unit and the first recovery section for sending the second permeated gas to the first recovery section.
本発明の第9態様において、例えば、第1~第8態様のいずれか1つにかかるガス分離システムは、前記第2分離膜を収容する第2分離膜ユニットと、前記第2非透過ガスを回収する第2回収部と、前記第2分離膜ユニット及び前記第2回収部に接続され、前記第2回収部に前記第2非透過ガスを送るための第2回収経路と、をさらに備える。 In the ninth aspect of the present invention, for example, the gas separation system according to any one of the first to eighth aspects includes a second separation membrane unit containing the second separation membrane, and a second non-permeable gas. It further comprises a second recovery section for recovery, and a second recovery path connected to the second separation membrane unit and the second recovery section for sending the second non-permeating gas to the second recovery section.
本発明の第10態様において、例えば、第1~第9態様のいずれか1つにかかるガス分離システムでは、前記第1分離膜及び前記第2分離膜のいずれか一方は、金属を含む金属層を備えている。 In the tenth aspect of the present invention, for example, in the gas separation system according to any one of the first to ninth aspects, one of the first separation membrane and the second separation membrane is a metal layer containing a metal It has
本発明の第11態様において、例えば、第1~第10態様のいずれか1つにかかるガス分離システムでは、前記第1分離膜及び前記第2分離膜のいずれか一方は、ポリエーテルブロックアミド樹脂又はイオン液体を含む分離機能層を備えている。 In the eleventh aspect of the present invention, for example, in the gas separation system according to any one of the first to tenth aspects, one of the first separation membrane and the second separation membrane is a polyether block amide resin Alternatively, it has a separation function layer containing an ionic liquid.
本発明の第12態様にかかる混合ガスの分離方法は、
ガスAを優先的に透過させることができる第1分離膜によって、前記ガスAと、前記ガスAとは異なるガスBとを含む混合ガスを第1透過ガスと第1非透過ガスとに分離する第1分離工程と、
前記ガスBを優先的に透過させることができる第2分離膜によって、前記第1非透過ガスを第2透過ガスと第2非透過ガスとに分離する第2分離工程と、
前記第2透過ガス及び前記第2非透過ガスをそれぞれ回収する回収工程と、
を含み、
前記第1分離膜の膜面積が前記第2分離膜の膜面積よりも小さい。
The mixed gas separation method according to the twelfth aspect of the present invention includes:
A mixed gas containing the gas A and a gas B different from the gas A is separated into a first permeable gas and a first non-permeable gas by a first separation membrane capable of preferentially permeating the gas A. a first separation step;
a second separation step of separating the first non-permeable gas into a second non-permeable gas and a second non-permeable gas by a second separation membrane capable of preferentially permeating the gas B;
a recovery step of recovering the second permeable gas and the second non-permeable gas, respectively;
including
The membrane area of the first separation membrane is smaller than the membrane area of the second separation membrane.
以下、本発明の詳細を説明するが、以下の説明は、本発明を特定の実施形態に制限する趣旨ではない。 Although the details of the present invention will be described below, the following description is not intended to limit the present invention to specific embodiments.
<ガス分離システム>
図1に示すように、本実施形態のガス分離システム100は、第1分離膜11及び第2分離膜21を備える。詳細には、ガス分離システム100は、第1分離膜11を収容する第1分離膜ユニット10と、第2分離膜21を収容する第2分離膜ユニット20とを備える。第1分離膜ユニット10は、第1分離膜11を用いて、混合ガスについて膜分離を行う膜分離装置である。第1分離膜11は、混合ガスを第1透過ガスと第1非透過ガスとに分離することができる。第2分離膜ユニット20は、第2分離膜21を用いて、第1分離膜ユニット10から排出された第1非透過ガスについて膜分離を行う膜分離装置である。第2分離膜21は、第1非透過ガスを第2透過ガスと第2非透過ガスとに分離することができる。
<Gas separation system>
As shown in FIG. 1 , the
第1分離膜ユニット10で処理される混合ガスは、ガスAと、ガスAとは異なるガスBとを含む。ガスA及びガスBとしては、例えば、水素、二酸化炭素などが挙げられる。一例として、(i)ガスAが水素であり、かつガスBが二酸化炭素である、又は(ii)ガスAが二酸化炭素であり、かつガスBが水素である、が成立する。
The mixed gas processed by the first
第1分離膜11は、ガスAを優先的に透過させることができる。そのため、第1分離膜11によって分離された第1透過ガスは、混合ガスよりもガスAの含有率が高く、かつ混合ガスよりもガスBの含有率が低い。一方、第1非透過ガスは、混合ガスよりもガスAの含有率が低く、かつ混合ガスよりもガスBの含有率が高い。
The
第2分離膜21は、ガスBを優先的に透過させることができる。そのため、第2分離膜21によって分離された第2透過ガスは、第1非透過ガスよりもガスBの含有率が高く、かつ第1非透過ガスよりもガスAの含有率が低い。一方、第2非透過ガスは、第1非透過ガスよりもガスBの含有率が低く、かつ第1非透過ガスよりもガスAの含有率が高い。
The
ガス分離システム100では、第1分離膜11の膜面積M1は、第2分離膜21の膜面積M2よりも小さい。ガス分離システム100の構成によれば、第2透過ガス及び第2非透過ガスをそれぞれ回収することによって、第1分離膜11の膜面積M1と、第2分離膜21の膜面積M2との合計値を大きく増加させずに、ガスA及びガスBのそれぞれを高い純度かつ高い回収率で回収することができる傾向がある。このように、本実施形態のガス分離システム100は、混合ガスを効率的に分離することに適している。
In the
第2分離膜21の膜面積M2に対する第1分離膜11の膜面積M1の比M1/M2は、例えば40/60以下であり、好ましくは25/75以下であり、より好ましくは10/90以下であり、8/92以下であってもよく、5/95以下であってもよい。比M1/M2の下限値は、特に限定されず、例えば0.5/99.5である。
The ratio M1/M2 of the membrane area M1 of the
ガス分離システム100は、混合ガス供給経路30をさらに備えている。混合ガス供給経路30は、第1分離膜ユニット10の混合ガス入口(入口13a)に接続されており、混合ガスを貯蔵しているタンク(図示せず)などから第1分離膜ユニット10に混合ガスを供給するための経路である。混合ガス供給経路30は、混合ガスの発生源に直接接続されていてもよく、当該発生源から第1分離膜ユニット10に混合ガスを連続的に供給する構成であってもよい。混合ガス供給経路30には、例えば、混合ガスを昇圧する加圧装置40が配置されている。加圧装置40としては、例えば、コンプレッサ、ブロワー及び背圧弁が挙げられる。加圧装置40は、混合ガスを昇圧することによって、第1分離膜ユニット10の供給側空間を加圧することができる。
The
混合ガス供給経路30において、加圧装置40と第1分離膜ユニット10との間には、熱交換器(図示せず)が配置されていてもよい。熱交換器は、例えば、加圧装置40によって昇圧された混合ガスを冷却する。熱交換器は、例えば、不凍液などの冷却媒体と混合ガスとの間で熱交換を生じさせる気-液熱交換器であり、典型的には、フィンチューブ熱交換器である。
A heat exchanger (not shown) may be arranged between the pressurizing
ガス分離システム100は、非透過ガス供給経路32をさらに備えている。非透過ガス供給経路32は、第1分離膜ユニット10の非透過ガス出口(出口13b)及び第2分離膜ユニット20の非透過ガス入口(入口23a)に接続され、第1分離膜ユニット10から第2分離膜ユニット20に第1非透過ガスを供給するための経路である。非透過ガス供給経路32には、第1非透過ガスを捕集する捕集器などのタンクや、経路の開閉を行う開閉弁が配置されていなくてもよい。このような構成によれば、第1分離膜ユニット10から排出された第1非透過ガスを連続的に第2分離膜ユニット20に供給することができ、単位時間当たりの混合ガスの処理量を容易に増加させることができる。一例として、非透過ガス供給経路32は、配管のみから構成されていてもよい。
The
ガス分離システム100は、排出経路34をさらに備えている。排出経路34は、第1分離膜ユニット10の透過ガス出口(出口14a)に接続されており、第1分離膜ユニット10から第1透過ガスを排出するための経路である。排出経路34には、排出経路34から第1透過ガスを排出するための開口(排出口42)が形成されている。ガス分離システム100は、例えば、第1透過ガスを回収せずに廃棄する。ただし、排出経路34が後述する第2回収部46に接続されており、第2回収部46で第1透過ガスが回収されてもよい。排出経路34が混合ガス供給経路30に接続されており、第1透過ガスが再利用されてもよい。
The
ガス分離システム100は、第1回収経路36及び第1回収部44をさらに備えている。第1回収経路36は、第2分離膜ユニット20の透過ガス出口(出口24a)及び第1回収部44の入口に接続されており、第2分離膜ユニット20から第1回収部44に第2透過ガスを送るための経路である。第1回収部44は、第2分離膜ユニット20から送られた第2透過ガスを回収し、例えば、第2透過ガスを貯蔵することができる。第1回収部44は、例えば、第2透過ガスを貯蔵するタンクである。
The
ガス分離システム100は、第2回収経路38及び第2回収部46をさらに備えている。第2回収経路38は、第2分離膜ユニット20の非透過ガス出口(出口23b)及び第2回収部46の入口に接続されており、第2分離膜ユニット20から第2回収部46に第2非透過ガスを送るための経路である。第2回収部46は、第2分離膜ユニット20から送られた第2非透過ガスを回収し、例えば、第2非透過ガスを貯蔵することができる。第2回収部46は、例えば、第2非透過ガスを貯蔵するタンクである。
The
第2回収経路38には、減圧装置及び熱交換器(図示せず)が配置されていてもよい。減圧装置によれば、例えば、第2非透過ガスを外部環境における大気圧(例えば101kPa)まで減圧することができる。減圧装置としては、例えば、減圧弁が挙げられる。熱交換器は、例えば、減圧装置と第2回収部46との間に位置する。熱交換器は、例えば、減圧装置によって減圧された第2非透過ガスを加熱する。熱交換器は、例えば、温水などの熱媒体と第2非透過ガスとの間で熱交換を生じさせる気-液熱交換器であり、典型的には、フィンチューブ熱交換器である。
A decompression device and a heat exchanger (not shown) may be arranged in the
ガス分離システム100の経路のそれぞれは、特に言及がない限り、例えば、金属製又は樹脂製の配管で構成されている。
Unless otherwise specified, each path of the
ガス分離システム100は、ガス分離システム100の各部材を制御する制御器(図示せず)をさらに備えていてもよい。制御器は、例えば、A/D変換回路、入出力回路、演算回路、記憶装置などを含むDSP(Digital Signal Processor)である。制御器には、ガス分離システム100を適切に運転するためのプログラムが格納されている。
The
本実施形態のガス分離システム100は、例えば、連続式システムである。本明細書において、連続式システムとは、開閉弁などによって、ガス分離システム100を構成する経路を閉じることなく、混合ガスを連続的に処理することが可能なシステムを意味する。言い換えると、ガス分離システム100は、混合ガスを第1分離膜ユニット10で処理するとともに、第1分離膜ユニット10で得られた第1非透過ガスについて、タンクなどに捕集せずに、直ちに第2分離膜ユニット20で処理することが可能である。このように、本実施形態のガス分離システム100は、連続運転が可能である。連続式システムとして機能するガス分離システム100は、混合ガスが連続的に供給される用途、排出ガスの処理など、に適している。
The
[第1分離膜ユニット]
図2に示すとおり、第1分離膜ユニット10は、第1分離膜11及びタンク12を備える。タンク12は、第1室13及び第2室14を有する。第1室13内の空間が供給側空間に相当し、第2室14内の空間が透過側空間に相当する。第1分離膜11は、タンク12の内部に配置されている。タンク12の内部において、第1分離膜11は、第1室13と第2室14とを隔てている。第1分離膜11は、タンク12の1対の壁面の一方から他方まで延びている。
[First separation membrane unit]
As shown in FIG. 2 , the first
第1室13は、入口13a及び出口13bを有する。第2室14は、出口14aを有する。第1室13の入口13aは、混合ガス70を第1分離膜ユニット10に供給するための開口である。第2室14の出口14aは、混合ガス70が第1分離膜11を透過することによって得られた第1透過ガス80を第1分離膜ユニット10から排出するための開口である。第1室13の出口13bは、第1分離膜11を透過しなかった混合ガス70(第1非透過ガス81)を第1分離膜ユニット10から排出するための開口である。入口13a、出口13b及び出口14aのそれぞれは、例えば、タンク12の壁面に形成されている。
The
(第1分離膜)
第1分離膜11は、混合ガス70に含まれるガスAを優先的に透過させることができる。以下では、ガスAが水素である場合の第1分離膜11、すなわち水素を優先的に透過させる第1分離膜11、について説明する。本明細書では、水素を優先的に透過させる分離膜を「水素透過膜」と呼ぶことがある。
(First separation membrane)
The
図3Aに示すとおり、水素透過膜としての第1分離膜11は、例えば、金属を含む金属層1を備えている。第1分離膜11は、金属層1を支持する支持体3、及び、金属層1を被覆するコート層2をさらに備えていてもよい。金属層1は、例えば、コート層2と支持体3との間に配置され、コート層2及び支持体3のそれぞれに直接接している。ただし、金属層1と支持体3との間には、接着剤が配置されていてもよい。金属層1とコート層2との間には、他の支持体がさらに配置されていてもよい。
As shown in FIG. 3A, the
≪金属層≫
金属層1は、水素を優先的に透過させることができる層である。金属層1に含まれる金属は、単体で、又は合金化することで水素透過機能を有するものであれば特に限定されない。このような金属としては、例えば、Pd、Nb、V、Ta、Ni、Fe、Al、Cu、Ru、Re、Rh、Au、Pt、Ag、Cr、Co、Sn、Zr、Y、Ce、Ti、Ir、Mo及びこれらの金属を2種以上含む合金などが挙げられる。
≪Metal layer≫
The
金属層1は、Pd合金を含む合金層であることが好ましい。Pd合金を形成する他の金属は、特に限定されず、好ましくは第11族元素であり、より好ましくはAu、Ag及びCuからなる群より選択される少なくとも1種である。金属層1は、Pd-Au合金を含むことが好ましい。Pd合金における第11族元素の含有率は、好ましくは20~65mol%であり、より好ましくは30~65mol%であり、さらに好ましくは30~60mol%であり、特に好ましくは40~60mol%である。Agの含有率が20mol%以上であるPd-Ag合金、Cuの含有率が30mol%以上であるPd-Cu合金、又はAuの含有率が20mol%以上であるPd-Au合金を含む合金層は、60℃程度以下の低温域であっても水素によって脆化しにくい傾向がある。Pd合金は、IB族及び/又はIIIA族の金属を含んでいてもよい。
The
Pd合金は、上述した2成分の合金ではなく、3成分以上の合金であってもよい。3成分以上の合金としては、例えば、Pd-Au-Ag、Pd-Au-Cu、Pd-Au-Ag-Cuなどが挙げられる。例えば、Pd、Au及び他の金属を含む多成分系合金の場合、合金におけるAuの含有率と、他の金属の含有率との合計値は、好ましくは55mol%以下であり、より好ましくは50mol%以下であり、さらに好ましくは45mol%以下であり、特に好ましくは40mol%以下である。 The Pd alloy may be an alloy of three or more components instead of the two-component alloy described above. Examples of alloys of three or more components include Pd--Au--Ag, Pd--Au--Cu and Pd--Au--Ag--Cu. For example, in the case of a multi-component alloy containing Pd, Au and other metals, the total content of Au and other metals in the alloy is preferably 55 mol% or less, more preferably 50 mol. %, more preferably 45 mol % or less, and particularly preferably 40 mol % or less.
金属層1は、例えば、実質的に金属からなる。本明細書において、「実質的に~からなる」は、言及された材料の本質的特徴を変更する他の成分を排除することを意味し、例えば95wt%以上、さらには99wt%以上が当該材料により構成されていることを意味する。
The
金属層1は、例えば、圧延法、スパッタリング法、真空蒸着法、イオンプレーティング法、メッキ法などによって作製することができる。圧延法は、比較的厚い金属層1を作製することに適している。スパッタリング法は、比較的薄い金属層1を作製することに適している。
The
圧延法は、熱間圧延であってもよく、冷間圧延であってもよい。圧延法は、一対又は複数対のロールを用いて、金属に対して圧力を加えながら膜状に延伸する方法である。圧延法により得られる金属層1の厚さは、好ましくは5~50μmであり、より好ましくは10~30μmである。金属層1の厚さが5μm以上であることによって、作製時におけるピンホール又はクラックの発生を抑制でき、さらに、水素を吸蔵したときの変形を抑制できる。金属層1の厚さが50μm以下であることによって、金属層1について、作製コストを抑制しつつ、十分な水素透過性を実現できる。
The rolling method may be hot rolling or cold rolling. The rolling method is a method in which a pair or a plurality of pairs of rolls are used to apply pressure to a metal while stretching it into a film. The thickness of the
スパッタリング法は、例えば、平行平板型、枚葉型、通過型、DCスパッタ、及びRFスパッタなどのスパッタリング装置を用いて、次の方法によって行うことができる。まず、金属ターゲットをセットしたスパッタリング装置に基板を取り付ける。次に、スパッタリング装置内を真空排気し、Arガス圧を所定値に調整する。金属ターゲットに所定のスパッタ電流を流して、基板上に金属膜を形成する。基板から金属膜を剥離することによって金属層1を得ることができる。金属ターゲットとしては、作製する金属層1の組成に応じて、1つ又は2つ以上のターゲットを用いることができる。スパッタリング法で用いられる基板としては、例えば、ガラス板、セラミックス板、シリコンウエハー、アルミニウムやステンレス鋼などを含む金属板などが挙げられる。なお、スパッタリング法によれば、支持体3の上に金属層1を直接形成することもできる。
The sputtering method can be performed by the following method using a parallel plate type, single wafer type, passing type, DC sputtering, RF sputtering, or other sputtering apparatus. First, a substrate is attached to a sputtering apparatus in which a metal target is set. Next, the inside of the sputtering apparatus is evacuated, and the Ar gas pressure is adjusted to a predetermined value. A predetermined sputtering current is passed through the metal target to form a metal film on the substrate. The
スパッタリング法により得られる金属層1の厚さは、好ましくは0.01~5μmであり、より好ましくは0.05~2μmである。金属層1の厚さが0.01μm以上であることによって、作製時におけるピンホールの発生を抑制でき、十分な機械的強度を得ることができる。金属層1の厚さが0.01μm以上であれば、基板から剥離するときに破損しにくく、剥離後の取り扱いが容易である傾向もある。金属層1の厚さが5μm以下である場合、短時間で金属層1を作製することができ、製造コストを抑制することができる。
The thickness of the
≪コート層≫
コート層2の材料としては、特に限定されず、例えば、フッ素系化合物、ゴム系ポリマー、シリコーン系ポリマー、ウレタン系ポリマー、ポリエステル系ポリマーなどが挙げられ、フッ素系化合物、ゴム系ポリマー、及びシリコーン系ポリマーからなる群より選択される少なくとも1つが好ましい。
≪Coating layer≫
The material of the
フッ素系化合物としては、例えば、フルオロアルキルカルボン酸塩、フルオロアルキル第四級アンモニウム塩、フルオロアルキルエチレンオキシド付加物などのフルオロアルキル基含有化合物;ペルフルオロアルキルカルボン酸塩、ペルフルオロアルキル第四級アンモニウム塩、ペルフルオロアルキルエチレンオキシド付加物などのペルフルオロアルキル基含有化合物;テトラフルオロエチレン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン/パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン重合体、フッ化ビニリデン/テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン/ヘキサフルオロプロピレン共重合体、含フッ素(メタ)アクリル酸エステル重合体、含フッ素(メタ)アクリル酸アルキルエステル重合体、含フッ素(メタ)アクリル酸エステルと他モノマーの共重合体などのフッ素系ポリマー;含フッ素(メタ)アクリル酸エステルなどが挙げられる。フッ素系化合物として、ハーベス社製の「デュラサーフ」シリーズ、ダイキン工業社製の「オプツール」シリーズ、信越化学工業社製の「KY-100」シリーズなどを用いてもよい。 Examples of fluorine compounds include fluoroalkyl group-containing compounds such as fluoroalkyl carboxylates, fluoroalkyl quaternary ammonium salts, and fluoroalkyl ethylene oxide adducts; perfluoroalkyl carboxylates, perfluoroalkyl quaternary ammonium salts, perfluoro Perfluoroalkyl group-containing compounds such as alkylethylene oxide adducts; tetrafluoroethylene/hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene/perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene polymer, vinylidene fluoride/tetrafluoroethylene copolymer Coalescence, vinylidene fluoride/hexafluoropropylene copolymer, fluorine-containing (meth)acrylic acid ester polymer, fluorine-containing (meth)acrylic acid alkyl ester polymer, copolymerization of fluorine-containing (meth)acrylic acid ester and other monomers fluorine-based polymers such as coalescence; fluorine-containing (meth)acrylic acid esters; As the fluorine-based compound, the “Durasurf” series manufactured by Harves, the “Optool” series manufactured by Daikin Industries, the “KY-100” series manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., and the like may be used.
ゴム系ポリマーとしては、例えば、天然ゴム、スチレンブタジエンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、クロロプレンゴム、ポリイソプレンゴム、ポリブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、エチレン-プロピレン-ジエン三元重合体ゴム、クロロスルフォン化ポリエチレンゴム、エチレン-酢酸ビニル共重合体ゴムなどが挙げられる。ゴム系ポリマーとして、日東シンコー社製の「エレップコート」シリーズなどを用いてもよい。 Examples of rubber-based polymers include natural rubber, styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, chloroprene rubber, polyisoprene rubber, polybutadiene rubber, ethylene-propylene rubber, ethylene-propylene-diene terpolymer rubber, chlorosulfonated polyethylene rubber, Examples include ethylene-vinyl acetate copolymer rubber. As the rubber-based polymer, the "ELEPCOAT" series manufactured by Nitto Shinko Co., Ltd. may be used.
シリコーン系ポリマーとしては、例えば、ポリジメチルシロキサン、アルキル変性ポリジメチルシロキサン、カルボキシル変性ポリジメチルシロキサン、アミノ変性ポリジメチルシロキサン、エポキシ変性ポリジメチルシロキサン、フッ素変性ポリジメチルシロキサン、(メタ)アクリレート変性ポリジメチルシロキサンなどが挙げられる。 Examples of silicone-based polymers include polydimethylsiloxane, alkyl-modified polydimethylsiloxane, carboxyl-modified polydimethylsiloxane, amino-modified polydimethylsiloxane, epoxy-modified polydimethylsiloxane, fluorine-modified polydimethylsiloxane, and (meth)acrylate-modified polydimethylsiloxane. etc.
コート層2は、例えば、金属層1の上にコート層2の材料を含む組成物を塗布し、硬化させることによって形成することができる。組成物の塗布方法は、特に限定されず、例えば、ロールコート法、スピンコート法、ディップコート法、スプレーコート法、バーコート法、ナイフコート法、ダイコート法、インクジェット法、グラビアコート法などが挙げられる。
The
組成物に含まれる溶剤は、コート層2の原料に応じて適宜選択できる。コート層2の材料としてフッ素系化合物を用いる場合、溶剤として、フッ素系溶剤、アルコール系溶剤、エーテル系溶剤、エステル系溶剤、炭化水素系溶剤などを1種又は2種以上を混合して使用することができる。これらの溶剤のうち、引火性がなく、速やかに揮発するフッ素系溶剤を単独又は他の溶剤と混合して使用することが好ましい。
The solvent contained in the composition can be appropriately selected according to the raw material of the
フッ素系溶剤としては、例えば、ハイドロフルオロエーテル、パーフルオロポリエーテル、パーフルオロアルカン、ハイドロフルオロポリエーテル、ハイドロフルオロカーボン、パーフルオロシクロエーテル、パーフルオロシクロアルカン、ハイドロフルオロシクロアルカン、キシレンヘキサフルオライド、ハイドロフルオロクロロカーボン、パーフルオロカーボンなどが挙げられる。 Examples of fluorine-based solvents include hydrofluoroethers, perfluoropolyethers, perfluoroalkanes, hydrofluoropolyethers, hydrofluorocarbons, perfluorocycloethers, perfluorocycloalkanes, hydrofluorocycloalkanes, xylene hexafluoride, hydro Examples include fluorochlorocarbons and perfluorocarbons.
コート層2の厚さは、特に限定されず、好ましくは0.1μm以上であり、より好ましくは0.3μm以上であり、さらに好ましくは0.5μm以上であり、特に好ましくは1.0μm以上である。コート層2の厚さは、例えば80μm以下であり、好ましくは50μm以下であり、より好ましくは30μm以下であり、さらに好ましくは20μm以下であり、特に好ましくは10μm以下であり、とりわけ好ましくは5μm以下である。コート層2の厚さは、コート層2の材料を含む組成物の固形分濃度や当該組成物の塗布回数によって調整することができる。コート層2は、無孔であることが好ましい。
The thickness of the
≪支持体≫
支持体3は、水素透過性を有し、金属層1を支持するものであれば特に限定されず、例えば多孔質体である。ただし、支持体3は、無孔であってもよい。支持体3は、織布、不織布などであってもよい。支持体3の材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン;ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートなどのポリエステル;ポリスルホン、ポリエーテルスルホンなどのポリアリールエーテルスルホン;ポリテトラフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素樹脂;エポキシ樹脂;ポリアミド;ポリイミドなどが挙げられ、化学的及び熱的に安定であるポリスルホン又はポリテトラフルオロエチレンが好ましい。
<<Support>>
The support 3 is not particularly limited as long as it has hydrogen permeability and supports the
支持体3は、平均孔径100μm以下の多孔質体であることが好ましい。この多孔質体は、十分な表面平滑性を有するため、スパッタリング法などによって多孔質体の上に金属層1を直接形成したときに、厚さが均一な金属層1を容易に形成できる。このとき、金属層1におけるピンホール又はクラックの発生を抑制することもできる。支持体3の厚さは、特に限定されず、例えば5~1000μmであり、好ましくは10~300μmである。
The support 3 is preferably a porous body with an average pore size of 100 μm or less. Since this porous body has sufficient surface smoothness, the
≪第1分離膜の特性≫
第1分離膜11を透過する水素の透過速度は、特に限定されない。一例として、第1分離膜11を透過する水素の透過速度TH2は、例えば5GPU以上であり、好ましくは10GPU以上であり、より好ましくは50GPU以上であり、さらに好ましくは100GPU以上である。透過速度TH2の上限値は、特に限定されず、例えば500GPUである。ただし、GPUは、10-6・cm3(STP)/(sec・cm2・cmHg)を意味する。cm3(STP)は、1気圧、0℃における気体の体積を意味する。
<<Characteristics of the first separation membrane>>
The permeation rate of hydrogen permeating through the
透過速度TH2は、次の方法によって算出できる。まず、第1分離膜11の一方の面(例えば第1分離膜11のコート層側の主面11a)に隣接する空間に、二酸化炭素及び水素からなる混合ガスを供給するとともに、第1分離膜11の他方の面(例えば第1分離膜11の支持体側の主面11b)に隣接する空間を減圧する。これにより、第1分離膜11の他方の面に隣接する空間において、第1分離膜11を透過した透過ガスが得られる。透過ガスの組成、透過ガスの重量などを測定する。測定結果から透過速度TH2を算出できる。上記の操作において、混合ガスにおける水素の濃度は、標準状態(0℃、101kPa)で50vol%である。第1分離膜11の一方の面に隣接する空間に供給される混合ガスは、温度が30℃であり、圧力が0.1MPaである。第1分離膜11の他方の面に隣接する空間は、空間内の圧力が測定環境における大気圧に対して0.1MPa小さくなるように減圧されている。
The permeation rate T H2 can be calculated by the following method. First, a mixed gas containing carbon dioxide and hydrogen is supplied to a space adjacent to one surface of the first separation membrane 11 (for example, the
上記の透過速度TH2の測定条件において、第1分離膜11の二酸化炭素に対する水素の分離係数αH2は、例えば20以上であり、好ましくは30以上であり、より好ましくは40以上であり、さらに好ましくは50以上である。分離係数αH2の上限値は、特に限定されず、例えば100である。分離係数αH2は、以下の式から算出することができる。ただし、下記式において、XA及びXBは、それぞれ、混合ガスにおける水素の体積比率及び二酸化炭素の体積比率である。YA及びYBは、それぞれ、第1分離膜11を透過した透過ガスにおける水素の体積比率及び二酸化炭素の体積比率である。
分離係数αH2=(YA/YB)/(XA/XB)
Under the conditions for measuring the permeation rate T H2 , the separation coefficient α H2 of hydrogen with respect to carbon dioxide of the
Separation factor α H2 = (Y A /Y B )/(X A /X B )
(第1分離膜の変形例)
第1分離膜11は、上記の水素透過膜に限定されない。以下では、ガスAが二酸化炭素である場合の第1分離膜11、すなわち二酸化炭素を優先的に透過させる第1分離膜11、について説明する。本明細書では、二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜を「二酸化炭素透過膜」と呼ぶことがある。
(Modified example of the first separation membrane)
The
図3Bに示すとおり、二酸化炭素透過膜としての第1分離膜11は、例えば、分離機能層5を備えている。第1分離膜11は、分離機能層5を支持する多孔性支持体7、及び、分離機能層5と多孔性支持体7との間に配置されている中間層6をさらに備えていてもよい。中間層6は、例えば、分離機能層5及び多孔性支持体7のそれぞれに直接接している。
As shown in FIG. 3B, the
≪分離機能層≫
分離機能層5は、二酸化炭素を優先的に透過させることができる層である。好ましい一形態では、分離機能層5は、樹脂を含む。分離機能層5に含まれる樹脂としては、例えば、ポリエーテルブロックアミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリイミド樹脂、酢酸セルロース樹脂、シリコーン樹脂及びフッ素樹脂が挙げられる。分離機能層5は、好ましくはポリエーテルブロックアミド樹脂を含む。この形態において、分離機能層5は、好ましくは、実質的に樹脂からなる。
≪Separation function layer≫
The separation
別の好ましい一形態では、分離機能層5は、イオン液体を含む。イオン液体は、25℃で液体の塩(イオン性化合物)である。分離機能層5は、例えば、イオン液体を含むダブルネットワークゲルを有する。ダブルネットワークゲルは、互いに独立した2種類の網目構造を備えるゲルである。ダブルネットワークゲルは、例えば、主として有機材料により構成された第1網目構造、主として無機材料により構成された第2網目構造、及び、イオン液体を含む。本明細書において、「主として構成された」は、50wt%以上、さらには70wt%以上が当該材料により構成されていることを意味する。
In another preferred form, the separation
第1網目構造を構成するための有機材料は、例えば、ポリアクリルアミド(特に、ポリジメチルアクリルアミドなどのポリジアルキルアクリルアミド)などの重合体を含む。有機材料に含まれる重合体は、アクリルアミド誘導体に由来する構造単位を有し、さらに架橋構造を含んでいてもよい。架橋構造を含む重合体は、公知の方法によって作製することができる。例えば、まず、N-ヒドロキシスクシンイミドエステル基を有する構造単位を有するプレポリマーを準備する。N-ヒドロキシスクシンイミドエステル基を有する構造単位は、例えば、N-アクリルオキシスクシンイミドに由来する。次に、プレポリマーとアミン系架橋剤とを反応させることによって、架橋構造を含む重合体を得ることができる。アミン系架橋剤は、2つ以上の第一級アミノ基を有する化合物であり、例えばエチレングリコールビス(3-アミノプロピル)エーテルである。 The organic material for forming the first network structure includes, for example, a polymer such as polyacrylamide (especially polydialkylacrylamide such as polydimethylacrylamide). The polymer contained in the organic material has a structural unit derived from an acrylamide derivative and may further contain a crosslinked structure. A polymer containing a crosslinked structure can be produced by a known method. For example, first, a prepolymer having structural units having N-hydroxysuccinimide ester groups is prepared. A structural unit having an N-hydroxysuccinimide ester group is derived from, for example, N-acryloxysuccinimide. Next, a polymer containing a crosslinked structure can be obtained by reacting the prepolymer with an amine-based crosslinking agent. Amine crosslinkers are compounds with two or more primary amino groups, such as ethylene glycol bis(3-aminopropyl) ether.
第2網目構造は、複数の粒子のネットワークを含んでいてもよい。複数の粒子のネットワークは、例えば、複数の粒子が水素結合によって互いに結合することによって形成されている。第2網目構造に含まれる粒子は、後述するナノ粒子として例示する粒子であってもよい。一例として、第2網目構造に含まれる粒子は、シリカ粒子である。 The second network structure may include a network of multiple particles. A network of a plurality of particles is formed, for example, by bonding a plurality of particles to each other through hydrogen bonding. Particles included in the second network structure may be particles exemplified as nanoparticles to be described later. As an example, the particles included in the second network structure are silica particles.
本実施形態において、具体的なイオン液体としては、例えば、イミダゾリウム、ピリジニウム、アンモニウム又はホスホニウムと、炭素数1以上の置換基とを有するイオン液体等が挙げられる。 In the present embodiment, specific ionic liquids include, for example, ionic liquids having imidazolium, pyridinium, ammonium, or phosphonium and substituents having 1 or more carbon atoms.
イミダゾリウムと炭素数1以上の置換基とを有するイオン液体において、炭素数1以上の置換基としては、炭素数1以上20以下のアルキル基、炭素数3以上14以下のシクロアルキル基、炭素数6以上20以下のアリール基等が挙げられ、これらは更にヒドロキシ基、シアノ基、アミノ基、一価のエーテル基等で置換されていてもよい(例えば、炭素数1以上20以下のヒドロキシアルキル基等)。 In the ionic liquid containing imidazolium and a substituent having 1 or more carbon atoms, the substituent having 1 or more carbon atoms includes an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, a cycloalkyl group having 3 to 14 carbon atoms, and a cycloalkyl group having 3 to 14 carbon atoms. 6 or more and 20 or less aryl groups, etc., which may be further substituted with a hydroxy group, a cyano group, an amino group, a monovalent ether group or the like (for example, a hydroxyalkyl group having 1 or more and 20 or less carbon atoms etc).
炭素数1以上20以下のアルキル基としては、メチル基、エチル基、n-プロピル基、n-ブチル基、n-ペンチル基、n-ヘキシル基、n-ヘプチル基、n-オクチル基、n-ノニル基、n-デシル基、n-ウンデシル基、n-ドデシル基、n-トリデシル基、n-テトラデシル基、n-ペンタデシル基、n-ヘキサデシル基、n-ヘプタデシル基、n-オクタデシル基、n-ノナデシル基、n-エイコサデシル基、i-プロピル基、sec-ブチル基、i-ブチル基、1-メチルブチル基、1-エチルプロピル基、2-メチルブチル基、i-ペンチル基、ネオペンチル基、1,2-ジメチルプロピル基、1,1-ジメチルプロピル基、t-ペンチル基、2-エチルヘキシル基、1,5-ジメチルヘキシル基等が挙げられ、これらは更にヒドロキシ基、シアノ基、アミノ基、一価のエーテル基等で置換されていてもよい。 Examples of alkyl groups having 1 to 20 carbon atoms include methyl group, ethyl group, n-propyl group, n-butyl group, n-pentyl group, n-hexyl group, n-heptyl group, n-octyl group, n- nonyl group, n-decyl group, n-undecyl group, n-dodecyl group, n-tridecyl group, n-tetradecyl group, n-pentadecyl group, n-hexadecyl group, n-heptadecyl group, n-octadecyl group, n- nonadecyl group, n-eicosadecyl group, i-propyl group, sec-butyl group, i-butyl group, 1-methylbutyl group, 1-ethylpropyl group, 2-methylbutyl group, i-pentyl group, neopentyl group, 1,2 -dimethylpropyl group, 1,1-dimethylpropyl group, t-pentyl group, 2-ethylhexyl group, 1,5-dimethylhexyl group and the like, which further include hydroxy group, cyano group, amino group, monovalent It may be substituted with an ether group or the like.
上述のアルキル基は、シクロアルキル基によって置換されていてもよい。シクロアルキル基によって置換されたアルキル基の炭素数は、例えば、1以上20以下である。シクロアルキル基によって置換されたアルキル基としては、シクロプロピルメチル基、シクロブチルメチル基、シクロヘキシルメチル基、シクロヘキシルプロピル基等が挙げられ、これらは更にヒドロキシ基、シアノ基、アミノ基、一価のエーテル基等で置換されていてもよい。 The above alkyl group may be substituted with a cycloalkyl group. The number of carbon atoms in the alkyl group substituted by the cycloalkyl group is, for example, 1 or more and 20 or less. Alkyl groups substituted by cycloalkyl groups include cyclopropylmethyl, cyclobutylmethyl, cyclohexylmethyl, cyclohexylpropyl groups and the like, which further include hydroxy, cyano, amino, monovalent ether It may be substituted with a group or the like.
炭素数3以上14以下のシクロアルキル基としては、シクロプロピル基、シクロブチル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、シクロヘプチル基、シクロオクチル基、シクロドデシル基、ノルボルニル基、ボルニル基、アダマンチル基等が挙げられ、これらは更にヒドロキシ基、シアノ基、アミノ基、一価のエーテル基等で置換されていてもよい。 Examples of cycloalkyl groups having 3 to 14 carbon atoms include cyclopropyl, cyclobutyl, cyclopentyl, cyclohexyl, cycloheptyl, cyclooctyl, cyclododecyl, norbornyl, bornyl and adamantyl groups. , and these may be further substituted with a hydroxy group, a cyano group, an amino group, a monovalent ether group, or the like.
炭素数6以上20以下のアリール基としては、フェニル基、トルイル基、キシリル基、メシチル基、アニシル基、ナフチル基、ベンジル基等が挙げられ、これらは更にヒドロキシ基、シアノ基、アミノ基、一価のエーテル基等で置換されていてもよい。 Examples of the aryl group having 6 to 20 carbon atoms include phenyl, toluyl, xylyl, mesityl, anisyl, naphthyl, benzyl, etc. These are further hydroxy, cyano, amino, mono may be substituted with a valent ether group or the like.
イミダゾリウムおよび炭素数1以上の置換基を有する化合物は、さらに、アルキル基等の置換基を有してもよく、対アニオンと塩を形成してもよい。対アニオンとしては、アルキルスルフェート、トシレート、メタンスルホネート、アセテート、ビス(フルオロスルホニル)イミド、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、チオシアネート、ジシアンアミド、トリシアノメタニド、テトラシアノボレート、ヘキサフルオロホスフェート、テトラフルオロボレート、ハライド等が挙げられ、ガス分離性能の観点から、ビス(フルオロスルホニル)イミド、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ジシアンアミド、トリシアノメタニド、テトラシアノボレートが好ましい。 The compound having imidazolium and a substituent having 1 or more carbon atoms may further have a substituent such as an alkyl group, and may form a salt with a counter anion. Counter anions include alkylsulfate, tosylate, methanesulfonate, acetate, bis(fluorosulfonyl)imide, bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, thiocyanate, dicyanamide, tricyanometanide, tetracyanoborate, hexafluorophosphate, tetrafluoro Examples include borates and halides, and bis(fluorosulfonyl)imide, bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, dicyanamide, tricyanometanide, and tetracyanoborate are preferred from the viewpoint of gas separation performance.
イミダゾリウム及び炭素数1以上の置換基を有するイオン液体としては、具体的には、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(フルオロスルホニル)イミド、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムジシアンアミド、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムブロミド、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムクロライド、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムトリフルオロメタンスホネート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムテトラクロロフェレート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムヨーダイド、1-ブチル-2,3-ジメチルイミダゾリウムクロリド、1-ブチル-2,3-ジメチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1-ブチル-2,3-ジメチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1-ブチル-2,3-ジメチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムトリフルオロ(トリフルオロメチル)ボレート、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムトリブロミド、1,3-ジメシチルイミダゾリウムクロライド、1,3-ビス(2,6-ジイソプロピルフェニル)イミダゾリウムクロライド、1,3-ジイソプロピルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1,3-ジ-tert-ブチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1,3-ジシクロヘキシルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1,3-ジシクロヘキシルイミダゾリウムクロライド、1,2-ジメチル-3-プロピルイミダゾリウムヨーダイド、1-ヘキシル-3-メチルイミダゾリウムクロライド、1-ヘキシル-3-メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1-ヘキシル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート、1-ヘキシル-3-メチルイミダゾリウムブロミド、1-メチル-3-プロピルイミダゾリウムヨーダイド、1-メチル-3-n-オクチルイミダゾリウムブロミド、1-メチル-3-n-オクチルイミダゾリウムクロライド、1-メチル-3-n-オクチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスフェート、1-メチル-3-[6-(メチルスルフィニル)ヘキシル]イミダゾリウムp-トルエンスルホネート、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムトリシアノメタニド、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムテトラシアノボレート、1-(2-ヒドロキシエチル)-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド等が挙げられる。 Specific examples of ionic liquids having imidazolium and substituents having 1 or more carbon atoms include 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide and 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide. , 1-butyl-3-methylimidazolium bromide, 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, 1 -butyl-3-methylimidazolium trifluoromethanesulfonate, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrachloroferrate, 1-butyl-3-methylimidazolium iodide, 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium chloride, 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium hexafluorophosphate, 1-butyl-2,3-dimethylimidazolium tetrafluoroborate, 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, 1 -butyl-2,3-dimethylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, 1-butyl-3-methylimidazolium trifluoro(trifluoromethyl)borate, 1-butyl-3-methylimidazolium tribromide, 1, 3-dimesitylimidazolium chloride, 1,3-bis(2,6-diisopropylphenyl)imidazolium chloride, 1,3-diisopropylimidazolium tetrafluoroborate, 1,3-di-tert-butylimidazolium tetrafluoro Borate, 1,3-dicyclohexylimidazolium tetrafluoroborate, 1,3-dicyclohexylimidazolium chloride, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium iodide, 1-hexyl-3-methylimidazolium chloride, 1-hexyl -3-methylimidazolium hexafluorophosphate, 1-hexyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, 1-hexyl-3-methylimidazolium bromide, 1-methyl-3-propylimidazolium iodide, 1-methyl- 3-n-octylimidazolium bromide, 1-methyl-3-n-octylimidazolium chloride, 1-methyl-3-n-octylimidazolium hexafluorophosphate, 1-methyl-3-[6-(methylsulfinyl) hexyl]imida zolium p-toluenesulfonate, 1-ethyl-3-methylimidazolium tricyanometanide, 1-ethyl-3-methylimidazolium tetracyanoborate, 1-(2-hydroxyethyl)-3-methylimidazolium bis(trifluoro and romethanesulfonyl)imide.
なかでも、ガス分離性能の観点から、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムビス(フルオロスルホニル)イミド([EMI][FSI])、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムジシアンアミド([EMI][DCA])、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムトリシアノメタニド([EMI][TCM])、1-エチル-3-メチルイミダゾリウムテトラシアノボレート([EMI][TCB])、1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド([C4mim][TF2N])、1-(2-ヒドロキシエチル)-3-メチルイミダゾリウムビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド([C2OHim][TF2N])が特に好ましい。 Among them, from the viewpoint of gas separation performance, 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(fluorosulfonyl)imide ([EMI] [FSI]), 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide ([EMI] [DCA]), 1-ethyl-3-methylimidazolium tricyanometanide ([EMI][TCM]), 1-ethyl-3-methylimidazolium tetracyanoborate ([EMI][TCB]), 1- butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide ([C 4 mim][TF 2 N]), 1-(2-hydroxyethyl)-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide ([ C2OHim ][ TF2N ]) is particularly preferred.
ダブルネットワークゲルを作製する方法は、特に限定されず、例えば、E.Kamio et al.,Adv.Mater,29,1704118(2017)に開示された方法を利用することができる。 The method for producing a double network gel is not particularly limited, and for example, the method disclosed in E.Kamio et al., Adv.Mater, 29, 1704118 (2017) can be used.
ダブルネットワークゲルにおけるイオン液体の含有率は、例えば50wt%以上であり、好ましくは60wt%以上であり、より好ましくは70wt%以上であり、さらに好ましくは80wt%以上である。イオン液体の含有率が高ければ高いほど、分離機能層5は、混合ガスに含まれる二酸化炭素を優先的に透過させることができる。イオン液体の含有率の上限値は、特に限定されず、例えば95wt%である。
The content of the ionic liquid in the double network gel is, for example, 50 wt% or more, preferably 60 wt% or more, more preferably 70 wt% or more, and still more preferably 80 wt% or more. The higher the content of the ionic liquid, the more preferentially the separation
ダブルネットワークゲルにおける主として有機材料により構成された第1網目構造の含有率は、例えば1wt%以上であり、好ましくは5wt%以上であり、より好ましくは10wt%以上である。第1網目構造の含有率の上限値は、例えば15wt%である。ダブルネットワークゲルにおける主として無機材料により構成された第2網目構造の含有率は、ダブルネットワークゲルの強度を向上させる観点から、例えば1wt%以上である。第2網目構造の含有率の上限値は、例えば5wt%である。ダブルネットワークゲルの重量に対する第1網目構造の重量と第2網目構造の重量との合計値の比率は、例えば2wt%以上であり、好ましくは5wt%以上であり、より好ましくは10wt%以上である。この比率は、好ましくは20wt%以下である。この形態において、分離機能層5は、好ましくは、実質的にダブルネットワークゲルからなる。
The content of the first network structure mainly composed of an organic material in the double network gel is, for example, 1 wt% or more, preferably 5 wt% or more, and more preferably 10 wt% or more. The upper limit of the content of the first network structure is, for example, 15 wt%. The content of the second network structure mainly composed of an inorganic material in the double network gel is, for example, 1 wt % or more from the viewpoint of improving the strength of the double network gel. The upper limit of the content of the second network structure is, for example, 5 wt%. The ratio of the sum of the weight of the first network structure and the weight of the second network structure to the weight of the double network gel is, for example, 2 wt% or more, preferably 5 wt% or more, and more preferably 10 wt% or more. . This proportion is preferably less than or equal to 20 wt%. In this form, the separation
分離機能層5の厚さは、例えば50μm以下であり、好ましくは25μm以下であり、より好ましくは15μm以下である。分離機能層5の厚さは、場合によっては、10μm以下であってもよく、5.0μm以下であってもよく、2.0μm以下であってもよい。分離機能層5の厚さは、0.05μm以上であってもよく、0.1μm以上であってもよい。
The thickness of the separation
≪中間層≫
中間層6は、例えば、樹脂を含み、樹脂(マトリクス)に分散したナノ粒子をさらに含んでいてもよい。ナノ粒子は、マトリクス内で互いに離間していてもよく、部分的に凝集していてもよい。マトリクスの材料は、特に限定されず、例えば、ポリジメチルシロキサンなどのシリコーン樹脂;ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂;ポリエチレンオキシドなどのエポキシ樹脂;ポリイミド樹脂;ポリスルホン樹脂;ポリトリメチルシリルプロピン、ポリジフェニルアセチレンなどのポリアセチレン樹脂;ポリメチルペンテンなどのポリオレフィン樹脂が挙げられる。マトリクスは、シリコーン樹脂を含むことが好ましい。
≪Middle layer≫
The intermediate layer 6 contains, for example, a resin, and may further contain nanoparticles dispersed in the resin (matrix). The nanoparticles may be spaced apart from each other within the matrix or may be partially aggregated. The material of the matrix is not particularly limited, and examples thereof include silicone resins such as polydimethylsiloxane; fluorine resins such as polytetrafluoroethylene; epoxy resins such as polyethylene oxide; polyimide resins; polyacetylene resins such as; and polyolefin resins such as polymethylpentene. The matrix preferably contains a silicone resin.
ナノ粒子は、無機材料を含んでいてもよく、有機材料を含んでいてもよい。ナノ粒子に含まれる無機材料としては、例えば、シリカ、チタニア及びアルミナが挙げられる。ナノ粒子は、シリカを含むことが好ましい。 The nanoparticles may contain inorganic materials or organic materials. Inorganic materials included in nanoparticles include, for example, silica, titania, and alumina. The nanoparticles preferably contain silica.
中間層6の厚さは、特に限定されず、例えば50μm未満であり、好ましくは40μm以下であり、より好ましくは30μm以下である。中間層6の厚さの下限値は、特に限定されず、例えば1μmである。中間層6は、例えば、50μm未満の厚さを有する層である。 The thickness of the intermediate layer 6 is not particularly limited, and is, for example, less than 50 μm, preferably 40 μm or less, more preferably 30 μm or less. The lower limit of the thickness of the intermediate layer 6 is not particularly limited, and is, for example, 1 μm. The intermediate layer 6 is, for example, a layer having a thickness of less than 50 μm.
≪多孔性支持体≫
多孔性支持体7は、中間層6を介して分離機能層5を支持する。多孔性支持体7としては、例えば、不織布;多孔質ポリテトラフルオロエチレン;芳香族ポリアミド繊維;多孔質金属;焼結金属;多孔質セラミック;多孔質ポリエステル;多孔質ナイロン;活性化炭素繊維;ラテックス;シリコーン;シリコーンゴム;ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアクリロニトリル、ポリイミド及びポリフェニレンオキシドからなる群より選ばれる少なくとも1つを含む透過性(多孔質)ポリマー;連続気泡又は独立気泡を有する金属発泡体;連続気泡又は独立気泡を有するポリマー発泡体;シリカ;多孔質ガラス;メッシュスクリーンなどが挙げられる。多孔性支持体7は、これらのうちの2種以上を組み合わせたものであってもよい。
<<Porous support>>
The
多孔性支持体7は、例えば0.01~0.4μmの平均孔径を有する。多孔性支持体7の厚さは、特に限定されず、例えば10μm以上であり、好ましくは20μm以上であり、より好ましくは50μm以上である。多孔性支持体7の厚さは、例えば300μm以下であり、好ましくは200μm以下であり、より好ましくは150μm以下である。
The
≪第1分離膜の製造方法≫
第1分離膜11は、例えば、次の方法によって作製することができる。まず、中間層6の材料を含む塗布液を調製する。次に、多孔性支持体7の上に、中間層6の材料を含む塗布液を塗布し、塗布膜を形成する。塗布液の塗布方法は、特に限定されず、例えばワイヤーバーなどを利用できる。ワイヤーバーのワイヤー線径、塗布液における中間層6の材料の濃度を調整することによって、形成される中間層6の厚さを調整することができる。なお、多孔性支持体7を塗布液に浸漬させることによって塗布膜を形成してもよい。次に、塗布膜を乾燥し、中間層6を形成する。塗布膜の乾燥は、例えば、加熱条件下で行うことができる。塗布膜の加熱温度は、例えば50℃以上である。塗布膜の加熱時間は、例えば1分以上であり、5分以上であってもよい。
<<Method for producing the first separation membrane>>
The
中間層6の表面には必要に応じて易接着処理を施すことができる。易接着処理として、下塗り剤の塗布、コロナ放電処理、プラズマ処理などの表面処理が施されてもよい。 The surface of the intermediate layer 6 can be subjected to an easy-adhesion treatment as necessary. Surface treatments such as application of a primer, corona discharge treatment, plasma treatment, etc. may be applied as the adhesion-promoting treatment.
次に、分離機能層5の材料を含む塗布液を調整する。中間層6の上に分離機能層5の材料を含む塗布液を塗布し、塗布膜を得る。この塗布膜を乾燥し、分離機能層5を形成する。塗布液の塗工方法、及び乾燥条件は、中間層6について上述した方法及び条件を用いることができる。なお、分離機能層5の材料を含む塗布液の塗布は、スピンコートによって行ってもよい。これにより、第1分離膜11が得られる。
Next, a coating liquid containing the material for the separation
第1分離膜11の作製方法は、上記の方法に限定されない。例えば、次の方法によっても第1分離膜11を作製することができる。例えば、分離機能層5の材料を含む塗布液を転写フィルムの上に塗布して塗布膜を得る。塗布膜を乾燥することによって分離機能層5が形成される。次に、中間層6の材料を含む塗布液を分離機能層5の上に塗工して乾燥することによって、中間層6を形成する。中間層6及び分離機能層5の積層体を多孔性支持体7に転写する。これにより、第1分離膜11が得られる。
The method of manufacturing the
≪第1分離膜の特性≫
第1分離膜11を透過する二酸化炭素の透過速度は、特に限定されない。一例として、第1分離膜11を透過する二酸化炭素の透過速度TCO2は、例えば5GPU以上であり、好ましくは10GPU以上であり、より好ましくは50GPU以上であり、さらに好ましくは100GPU以上である。透過速度TCO2の上限値は、特に限定されず、例えば500GPUである。
<<Characteristics of the first separation membrane>>
The permeation rate of carbon dioxide permeating through the
透過速度TCO2は、次の方法によって算出できる。まず、第1分離膜11の一方の面(例えば第1分離膜11の分離機能層側の主面11a)に隣接する空間に、二酸化炭素及び水素からなる混合ガスを供給するとともに、第1分離膜11の他方の面(例えば第1分離膜11の多孔性支持体側の主面11b)に隣接する空間を減圧する。これにより、第1分離膜11の他方の面に隣接する空間において、第1分離膜11を透過した透過ガスが得られる。透過ガスの組成、透過ガスの重量などを測定する。測定結果から透過速度TCO2を算出できる。上記の操作において、混合ガスにおける二酸化炭素の濃度は、標準状態(0℃、101kPa)で50vol%である。第1分離膜11の一方の面に隣接する空間に供給される混合ガスは、温度が30℃であり、圧力が0.1MPaである。第1分離膜11の他方の面に隣接する空間は、空間内の圧力が測定環境における大気圧に対して0.1MPa小さくなるように減圧されている。
The permeation rate T CO2 can be calculated by the following method. First, a mixed gas containing carbon dioxide and hydrogen is supplied to a space adjacent to one surface of the first separation membrane 11 (for example, the
上記の透過速度TCO2の測定条件において、第1分離膜11の水素に対する二酸化炭素の分離係数αCO2は、例えば20以上であり、好ましくは30以上であり、より好ましくは40以上であり、さらに好ましくは50以上である。分離係数αCO2の上限値は、特に限定されず、例えば100である。分離係数αCO2は、以下の式から算出することができる。ただし、下記式において、XA及びXBは、それぞれ、混合ガスにおける二酸化炭素の体積比率及び水素の体積比率である。YA及びYBは、それぞれ、第1分離膜11を透過した透過ガスにおける二酸化炭素の体積比率及び水素の体積比率である。
分離係数αCO2=(YA/YB)/(XA/XB)
Under the conditions for measuring the permeation rate T CO2 , the separation coefficient α CO2 of carbon dioxide with respect to hydrogen of the
Separation factor α CO2 = (Y A /Y B )/(X A /X B )
[第2分離膜ユニット]
図4に示すとおり、第2分離膜ユニット20は、第2分離膜21及びタンク22を備える。タンク22は、第3室23及び第4室24を有する。第3室23内の空間が供給側空間に相当し、第4室24内の空間が透過側空間に相当する。第2分離膜21は、タンク22の内部に配置されている。タンク22の内部において、第2分離膜21は、第3室23と第4室24とを隔てている。第2分離膜21は、タンク22の1対の壁面の一方から他方まで延びている。
[Second separation membrane unit]
As shown in FIG. 4 , the second
第3室23は、入口23a及び出口23bを有する。第4室24は、出口24aを有する。第3室23の入口23aは、第1非透過ガス81を第2分離膜ユニット20に供給するための開口である。第4室24の出口24aは、第1非透過ガス81が第2分離膜21を透過することによって得られた第2透過ガス90を第2分離膜ユニット20から排出するための開口である。第3室23の出口23bは、第2分離膜21を透過しなかった第1非透過ガス81(第2非透過ガス91)を第2分離膜ユニット20から排出するための開口である。入口23a、出口23b及び出口24aのそれぞれは、例えば、タンク22の壁面に形成されている。
The
(第2分離膜)
第2分離膜21は、第1非透過ガス81に含まれるガスBを優先的に透過させることができる。ガスBが二酸化炭素である場合の第2分離膜21、すなわち二酸化炭素を優先的に透過させる第2分離膜21、としては、第1分離膜11について上述した二酸化炭素透過膜が挙げられる。ガスBが水素である場合の第2分離膜21、すなわち水素を優先的に透過させる第2分離膜21、としては、第1分離膜11について上述した水素透過膜が挙げられる。
(Second separation membrane)
The
本実施形態のガス分離システム100において、第1分離膜11が水素透過膜である場合、第2分離膜21は、例えば、二酸化炭素透過膜である。第1分離膜11が二酸化炭素透過膜である場合、第2分離膜21は、例えば、水素透過膜である。言い換えると、第1分離膜11及び第2分離膜21のいずれか一方は、水素透過膜であり、金属を含む金属層を備えていてもよい。第1分離膜11及び第2分離膜21のいずれか一方は、二酸化炭素透過膜であり、ポリエーテルブロックアミド樹脂又はイオン液体を含む分離機能層を備えていてもよい。
In the
なお、ガス分離システム100が備える第1分離膜ユニット10及び第2分離膜ユニット20は、流通式(連続式)の膜分離方法に適している。ただし、これらの分離膜ユニットは、バッチ式の膜分離方法に用いられてもよい。
The first
[混合ガスの分離方法]
本実施形態において、混合ガス70の分離方法は、第1分離膜11を用いた第1分離工程と、第2分離膜21を用いた第2分離工程と、第2分離膜ユニット20から排出された第2透過ガス90及び第2非透過ガス91をそれぞれ回収する回収工程とを含む。
[Mixed gas separation method]
In this embodiment, the method for separating the
第1分離工程は、例えば、次のように実施される。まず、混合ガス供給経路30を通じて、混合ガス70を第1分離膜ユニット10の第1室13(供給側空間)に供給する。混合ガス70は、例えば、加圧装置40によって昇圧されて第1室13に供給される。加圧装置40によって昇圧された混合ガス70の圧力、すなわち第1分離膜ユニット10の供給側空間内の圧力、は、例えば0.1MPa以上であり、好ましくは0.5MPa以上であり、1.0MPa以上であってもよい。混合ガス70の圧力の上限値は、特に限定されず、例えば10.0MPaである。なお、本明細書において、特に断りのない限り、「圧力」は、絶対圧を意味する。
For example, the first separation step is performed as follows. First, the
上述のとおり、混合ガス70は、ガスA及びガスBを含む。一例として、(i)ガスAが水素であり、かつガスBが二酸化炭素である、又は(ii)ガスAが二酸化炭素であり、かつガスBが水素である、が成立する。混合ガス70は、典型的には、化学プラントからの排出ガス、例えばシフト反応によって生じた排出ガス、である。ただし、本実施形態のガス分離システム100は、上記の組成以外の混合ガス70の分離に用いることもできる。例えば、ガスA又はガスBは、窒素、メタン、酸素などの非極性ガス、ヘリウムなどの不活性ガス、及び、二酸化炭素以外の酸性ガスから選ばれる1種のガスであってもよい。二酸化炭素以外の酸性ガスとしては、例えば、硫化水素、硫化カルボニル、硫黄酸化物(SOx)、シアン化水素、窒素酸化物(NOx)などが挙げられる。
混合ガス70におけるガスAの含有率は、例えば10vol%以上であり、25vol%以上であってもよく、40vol%以上であってもよく、50vol%以上であってもよい。混合ガス70におけるガスAの含有率の上限値は、特に限定されず、例えば75vol%である。混合ガス70におけるガスBの含有率は、例えば10vol%以上であり、25vol%以上であってもよく、40vol%以上であってもよく、50vol%以上であってもよい。混合ガス70におけるガスBの含有率の上限値は、特に限定されず、例えば75vol%である。混合ガス70において、ガスAの体積とガスBの体積との合計値に対する、ガスAの体積の比率は、特に限定されず、例えば25~75vol%である。本明細書では、特に断りのない限り、「含有率」や「体積」は、標準状態(0℃、101kPa)での値を意味する。
The content of gas A in the
第1分離膜ユニット10の第1室13に供給された混合ガス70は、第1分離膜11によって分離される。これにより、第1透過ガス80が第2室14に供給される。第2室14に供給された第1透過ガス80は、出口14aを通じて、第1分離膜ユニット10の外部に排出される。第1透過ガス80は、排出経路34を通じて、排出口42から排出される。
The
上述のとおり、第1分離膜ユニット10の第1分離膜11は、混合ガス70に含まれるガスAを優先的に透過させる。そのため、第1分離膜ユニット10で得られた第1透過ガス80は、混合ガス70に比べてガスAの含有率が高い。第1透過ガス80におけるガスAの含有率は、特に限定されず、例えば50~99vol%である。混合ガス70におけるガスAの含有率(vol%)に対する第1透過ガス80におけるガスAの含有率(vol%)の比は、特に限定されず、例えば2~9である。
As described above, the
ガス分離システム100において、第1分離膜11の膜面積は、第2分離膜21よりも小さく設定されている。そのため、第1分離膜11によって処理された第1透過ガス80は、体積が比較的小さい傾向がある。一例として、第1分離膜ユニット10に供給された混合ガス70の体積に対する、第1分離膜11によって分離された第1透過ガス80の体積の比率は、特に限定されず、例えば2.5~50vol%である。なお、上記の比率において、混合ガス70及び第1透過ガス80の体積は、標準状態(0℃、101kPa)での値である。
In the
混合ガス70におけるガスBの濃度は、第1室13の入口13aから出口13bに向かって徐々に上昇する。第1室13で処理された混合ガス70(第1非透過ガス81)におけるガスBの含有率は、特に限定されず、例えば25~75vol%である。第1非透過ガス81は、出口13bを通じて、第1分離膜ユニット10の外部に排出される。第1非透過ガス81は、非透過ガス供給経路32を通じて、第2分離膜ユニット20に供給される。
The concentration of the gas B in the
第2分離工程は、例えば、次のように実施される。まず、非透過ガス供給経路32を通じて、第1非透過ガス81を第2分離膜ユニット20の第3室23(供給側空間)に供給する。第1非透過ガス81は、例えば、第1分離膜ユニット10に供給された混合ガス70と同程度の圧力を有する。第1非透過ガス81の圧力、すなわち第2分離膜ユニット20の供給側空間内の圧力、は、例えば0.1MPa以上であり、好ましくは0.5MPa以上であり、1.0MPa以上であってもよい。第1非透過ガス81の圧力の上限値は、特に限定されず、例えば10.0MPaである。
For example, the second separation process is performed as follows. First, the first
第2分離膜ユニット20の第3室23に供給された第1非透過ガス81は、第2分離膜21によって分離される。これにより、第2透過ガス90が第4室24に供給される。第4室24に供給された第2透過ガス90は、出口24aを通じて、第2分離膜ユニット20の外部に排出される。第2透過ガス90は、第1回収経路36を通じて、第1回収部44に送られる。
The first
上述のとおり、第2分離膜ユニット20の第2分離膜21は、第1非透過ガス81に含まれるガスBを優先的に透過させる。そのため、第2分離膜ユニット20によって得られた第2透過ガス90は、第1非透過ガス81に比べてガスBの含有率が高い。第2透過ガス90におけるガスBの含有率は、特に限定されず、例えば70vol%以上であり、好ましくは80vol%以上であり、より好ましくは90vol%以上であり、さらに好ましくは95vol%以上である。特に、混合ガス70の組成が体積比でガスA/ガスB=50/50である場合に、第2透過ガス90におけるガスBの含有率が70vol%以上であることが好ましい。第1非透過ガス81におけるガスBの含有率(vol%)に対する第2透過ガス90におけるガスBの含有率(vol%)の比は、特に限定されず、例えば2~9である。
As described above, the
第2分離膜ユニット20に供給された第1非透過ガス81の体積に対する、第2分離膜21によって分離された第2透過ガス90の体積の比率は、特に限定されず、例えば50~95vol%である。上記の比率は、2.5~50vol%であってもよい。なお、上記の比率において、第1非透過ガス81及び第2透過ガス90の体積は、標準状態(0℃、101kPa)での値である。
The volume ratio of the second
第1非透過ガス81におけるガスAの濃度は、第3室23の入口23aから出口23bに向かって徐々に上昇する。第3室23で処理された第1非透過ガス81(第2非透過ガス91)におけるガスAの含有率は、特に限定されず、例えば70vol%以上であり、好ましくは80vol%以上であり、より好ましくは90vol%以上であり、さらに好ましくは95vol%以上である。特に、混合ガス70の組成が体積比でガスA/ガスB=50/50である場合に、第2非透過ガス91におけるガスAの含有率が70vol%以上であることが好ましい。第2非透過ガス91は、出口23bを通じて、第2分離膜ユニット20の外部に排出される。第2非透過ガス91は、第2回収経路38を通じて、第2回収部46に送られる。
The concentration of gas A in the first
本実施形態の分離方法において、第1分離工程及び第2分離工程は、例えば、連続して行われる。すなわち、第1分離工程で分離された第1非透過ガス81は、タンクなどに捕集されずに、ただちに第2分離工程に供される。第1分離工程及び第2分離工程を連続して行うことによって、単位時間当たりの混合ガス70の処理量を容易に増加させることができる。
In the separation method of this embodiment, the first separation step and the second separation step are, for example, continuously performed. That is, the first
回収工程では、第1回収部44によって、ガスBが濃縮された第2透過ガス90を回収する。第2回収部46によって、ガスAが濃縮された第2非透過ガス91を回収する。第2透過ガス90によるガスBの回収率は、特に限定されず、例えば70%以上であり、好ましくは80%以上であり、より好ましくは90%以上であり、さらに好ましくは95%以上である。第2非透過ガス91によるガスAの回収率は、特に限定されず、例えば60%以上であり、好ましくは70%以上であり、より好ましくは80%以上であり、さらに好ましくは90%以上である。本明細書において、回収率は、混合ガスに含まれる特定のガスの重量に対する、回収した当該ガスの重量の比率を意味する。なお、「重量」は、標準状態(0℃、101kPa)での値を意味する。
In the recovery step, the
従来のガス分離システムでは、通常、第1分離膜の膜面積を第2分離膜の膜面積と同程度の大きさに設定し、第1分離膜を透過した第1透過ガスと、第2分離膜を透過した第2透過ガスとを回収する。本発明者らの検討によると、この方法では、ガスA及びガスBの回収率を向上させるためには、第1分離膜及び第2分離膜の膜面積を大きく増加させる必要がある。しかし、これらの分離膜の膜面積が増加すると、製造コストが増加するだけでなく、第1透過ガスにおけるガスAの含有率や第2透過ガスにおけるガスBの含有率が低下する傾向がある。 In conventional gas separation systems, the membrane area of the first separation membrane is usually set to be approximately the same as the membrane area of the second separation membrane, and the first permeated gas that has permeated the first separation membrane and the second separation The second permeated gas that has permeated the membrane is recovered. According to studies by the present inventors, in this method, in order to improve the recovery rates of gas A and gas B, it is necessary to greatly increase the membrane areas of the first separation membrane and the second separation membrane. However, when the membrane area of these separation membranes increases, not only does the manufacturing cost increase, but the content of gas A in the first permeable gas and the content of gas B in the second permeable gas tend to decrease.
これに対して、本実施形態のガス分離システム100では、第1分離膜11の膜面積を第2分離膜21の膜面積よりも小さく設定し、さらに、第2透過ガス90及び第2非透過ガス91を回収する。このガス分離システム100によれば、第1分離膜11の膜面積と、第2分離膜21の膜面積との合計値を大きく増加させずに、ガスA及びガスBのそれぞれを高い純度かつ高い回収率で回収することができる傾向がある。このように、本実施形態のガス分離システム100は、混合ガスを効率的に分離することに適している。
On the other hand, in the
上述のとおり、本実施形態のガス分離システム100では、第1分離膜11の膜面積M1及び第2分離膜21の膜面積M2が下記関係式(1)を満たしている。ただし、ガス分離システム100では、関係式(1)に代えて、又は関係式(1)と共に、下記関係式(2)又は下記関係式(3)が満たされていてもよい。関係式(2)において、T1は、第1分離膜11を透過するガスAの透過速度を意味し、T2は、第2分離膜21を透過するガスBの透過速度を意味する。関係式(3)において、α1は、第1分離膜11のガスBに対するガスAの分離係数を意味し、α2は、第2分離膜21のガスAに対するガスBの分離係数を意味する。透過速度T1及びT2、並びに、分離係数α1及びα2は、ガスA及びガスBからなる混合ガスを用いることを除き、水素透過膜について上述した方法と同様の方法によって測定できる。
M1<M2 (1)
M1×T1<M2×T2 (2)
M1×α1<M2×α2 (3)
As described above, in the
M1<M2 (1)
M1×T1<M2×T2 (2)
M1×α1<M2×α2 (3)
[第1分離膜ユニットの変形例]
ガス分離システム100において、第1分離膜ユニット10は、図5に示すようなスパイラル型の膜エレメントであってもよい。図5の第1分離膜ユニット15は、中心管16及び積層体17を備えている。積層体17が第1分離膜11を含んでいる。
[Modified Example of First Separation Membrane Unit]
In the
中心管16は、円筒形状を有している。中心管16の表面には、中心管16の内部に第1透過ガス80を流入させるための複数の孔又はスリットが形成されている。中心管16の材料としては、例えば、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合樹脂(ABS樹脂)、ポリフェニレンエーテル樹脂(PPE樹脂)、ポリサルフォン樹脂(PSF樹脂)などの樹脂;ステンレス鋼、チタンなどの金属が挙げられる。中心管16の内径は、例えば20~100mmの範囲にある。
The
積層体17は、第1分離膜11の他に、供給側流路材18及び透過側流路材19をさらに含む。積層体17は、中心管16の周囲に巻回されている。第1分離膜ユニット15は、外装材(図示せず)をさらに備えていてもよい。
In addition to the
供給側流路材18及び透過側流路材19としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)又はエチレン-クロロトリフルオロエチレン共重合体(ECTFE)からなる樹脂製のネット、織物又は編物を用いることができる。
As the feed
第1分離膜ユニット15を用いた膜分離は、例えば、次の方法によって行われる。まず、巻回された積層体17の一端に混合ガス70を供給する。これにより、積層体17の第1分離膜11を透過した第1透過ガス80が中心管16の内部に移動する。第1透過ガス80は、中心管16を通じて外部に排出される。第1分離膜ユニット15で処理された混合ガス70(第1非透過ガス81)は、巻回された積層体17の他端から外部に排出される。
Membrane separation using the first
なお、ガス分離システム100において、第2分離膜ユニット20は、第1分離膜ユニット15と同様の構成を有するスパイラル型の膜エレメントであってもよい。
In the
以下に、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail below with reference to examples, but the present invention is not limited to these.
(計算例1)
Schlumberger社製のプロセスモデリングソフトSymmetryを用いて、図1に示すガス分離システムを運転したときのシミュレーションを行った。詳細には、図1に示すガス分離システムについて、第1分離膜として水素透過膜を用いること、第2分離膜として二酸化炭素透過膜を用いること、並びに、第2透過ガス及び第2非透過ガスを回収することを想定した。この想定に関するガス分離システムをモデル1-1と呼ぶことがある。水素透過膜について、水素の透過速度TH2を100GPUに設定し、二酸化炭素に対する水素の分離係数αH2を50に設定した。同様に、二酸化炭素透過膜について、二酸化炭素の透過速度TCO2を100GPUに設定し、水素に対する二酸化炭素の分離係数αCO2を50に設定した。さらに、混合ガスの供給条件及び二酸化炭素の回収条件を以下のように設定した。なお、混合ガスは、混合ガス供給経路に配置された加圧装置によって、外部環境における大気圧(101.33kPa)から1MPaまで昇圧することを想定した。
[混合ガスの供給条件]
流量:1016.47Nm3/hr
組成(体積比):CO2/H2=50/50
CO2重量:1000kg/hr
H2重量:45.81kg/hr
圧力:1MPa
温度:25℃
[二酸化炭素の回収条件]
純度(第2透過ガスにおけるCO2含有率):95vol%
回収率(混合ガスにおけるCO2重量に対する、第2透過ガスにおけるCO2重量の比率):80%
(Calculation example 1)
A simulation of the operation of the gas separation system shown in FIG. 1 was performed using the process modeling software Symmetry manufactured by Schlumberger. Specifically, the gas separation system shown in FIG. 1 uses a hydrogen permeable membrane as the first separation membrane, uses a carbon dioxide permeable membrane as the second separation membrane, was assumed to be collected. A gas separation system for this assumption is sometimes referred to as Model 1-1. For the hydrogen permeable membrane, the hydrogen permeation rate T H2 was set to 100 GPU, and the separation factor α H2 of hydrogen with respect to carbon dioxide was set to 50. Similarly, for the carbon dioxide permeable membrane, the permeation rate of carbon dioxide T CO2 was set to 100 GPU, and the separation coefficient α CO2 of carbon dioxide to hydrogen was set to 50. Further, the mixed gas supply conditions and the carbon dioxide recovery conditions were set as follows. It is assumed that the mixed gas is pressurized from the atmospheric pressure (101.33 kPa) in the external environment to 1 MPa by a pressurizing device arranged in the mixed gas supply path.
[Conditions of supply of mixed gas]
Flow rate: 1016.47 Nm 3 /hr
Composition (volume ratio): CO2 / H2 = 50/50
CO2 weight: 1000kg/hr
H2 weight: 45.81 kg/hr
Pressure: 1MPa
Temperature: 25°C
[Conditions for collecting carbon dioxide]
Purity (CO 2 content in second permeate gas): 95 vol%
Recovery rate (ratio of CO2 weight in second permeate gas to CO2 weight in mixed gas): 80%
計算例1のシミュレーションによって、ガス分離システムを用いて混合ガスを分離するために必要な分離膜の膜面積、水素の純度(第2非透過ガスにおけるH2含有率)、及び、水素の回収率(混合ガスにおけるH2重量に対する、第2非透過ガスにおけるH2重量の比率)を計算した。結果を表1に示す。 By the simulation of Calculation Example 1, the membrane area of the separation membrane required to separate the mixed gas using the gas separation system, the purity of hydrogen ( H2 content in the second non-permeating gas), and the recovery rate of hydrogen (the ratio of H2 weight in the second impermeant gas to H2 weight in the mixed gas) was calculated. Table 1 shows the results.
(計算例2)
第1透過ガス及び第2透過ガスを回収することを想定したことを除き、計算例1と同じ方法によって計算例2のシミュレーションを行った。計算例2の想定に関するガス分離システムをモデル1-2と呼ぶことがある。計算例2のシミュレーションによって、ガス分離システムを用いて混合ガスを分離するために必要な分離膜の膜面積、水素の純度(第1透過ガスにおけるH2含有率)、及び、水素の回収率(混合ガスにおけるH2重量に対する、第1透過ガスにおけるH2重量の比率)を計算した。結果を表1に示す。
(Calculation example 2)
A simulation of Calculation Example 2 was performed in the same manner as in Calculation Example 1, except that the first permeation gas and the second permeation gas were assumed to be recovered. The gas separation system for the assumptions of Calculation Example 2 is sometimes referred to as Model 1-2. By the simulation of Calculation Example 2, the membrane area of the separation membrane required to separate the mixed gas using the gas separation system, the purity of hydrogen ( H2 content in the first permeated gas), and the recovery rate of hydrogen ( The ratio of H2 weight in the first permeate gas to H2 weight in the mixed gas) was calculated. Table 1 shows the results.
(計算例3)
Schlumberger社製のプロセスモデリングソフトSymmetryを用いて、図6に示すガス分離システム200を運転したときのシミュレーションを行った。ガス分離システム200は、第1分離膜211を収容した第1分離膜ユニット210と、第2分離膜221を収容した第2分離膜ユニット220とを備えている。第1分離膜211及び第2分離膜221は、それぞれ、図1のガス分離システム100の第1分離膜11及び第2分離膜21に対応している。ただし、第2分離膜221は、第1分離膜211を透過した第1透過ガスを第2透過ガスと第2非透過ガスとに分離するように構成されている。
(Calculation example 3)
Using process modeling software Symmetry manufactured by Schlumberger, a simulation was performed when the
ガス分離システム200は、混合ガス供給経路230、第1回収経路232、透過ガス供給経路234、排出経路236及び第2回収経路238を備えている。混合ガス供給経路230は、第1分離膜ユニット210に混合ガスを供給するための経路である。混合ガス供給経路230には、混合ガスを昇圧する加圧装置240が配置されている。
The
第1回収経路232は、第1分離膜ユニット210の非透過ガス出口に接続されており、第1分離膜ユニット210から第1非透過ガスを回収するための経路である。
The
透過ガス供給経路234は、第1分離膜ユニット210の透過ガス出口及び第2分離膜ユニット220の透過ガス入口に接続され、第1分離膜ユニット210から第2分離膜ユニット220に第1透過ガスを供給するための経路である。透過ガス供給経路234には、第1透過ガスを昇圧する加圧装置242が配置されている。
The permeated
排出経路236は、第2分離膜ユニット220の透過ガス出口に接続されており、第2分離膜ユニット220から第2透過ガスを排出するための経路である。第2回収経路238は、第2分離膜ユニット220の非透過ガス出口に接続されており、第2分離膜ユニット220から第2非透過ガスを回収するための経路である。
The
計算例3では、第1分離膜211として二酸化炭素透過膜を用いること、第2分離膜221として水素透過膜を用いること、並びに、第1非透過ガス及び第2非透過ガスを回収することを想定した。この想定に関するガス分離システムをモデル2と呼ぶことがある。モデル2を用いたことを除き、計算例1と同じ方法によって計算例3のシミュレーションを行った。なお、ガス分離システム200では、第1分離膜211を透過した第1透過ガスの圧力は、通常、外部環境における大気圧と一致する。そのため、計算例3では、透過ガス供給経路234に配置された加圧装置242によって、第1透過ガスを1MPaまで昇圧することを想定した。すなわち、計算例3では、加圧装置240による混合ガスの昇圧と、加圧装置242による第1透過ガスの昇圧とを行うことを想定した。
Calculation Example 3 uses a carbon dioxide permeable membrane as the
計算例3のシミュレーションによって、ガス分離システムを用いて混合ガスを分離するために必要な分離膜の膜面積、水素の純度(第1非透過ガスにおけるH2含有率)、及び、水素の回収率(混合ガスにおけるH2重量に対する、第1非透過ガスにおけるH2重量の比率)を計算した。結果を表1に示す。 By the simulation of Calculation Example 3, the membrane area of the separation membrane required for separating the mixed gas using the gas separation system, the purity of hydrogen ( H2 content in the first non-permeating gas), and the recovery rate of hydrogen (Ratio of H2 weight in the first impermeant gas to H2 weight in the mixed gas) was calculated. Table 1 shows the results.
(計算例4)
第1分離膜として二酸化炭素透過膜を用いること、及び、第2分離膜として水素透過膜を用いることを想定したことを除き、計算例1と同じ方法によって計算例4のシミュレーションを行った。計算例4の想定に関するガス分離システムをモデル3-1と呼ぶことがある。計算例4のシミュレーションによって、ガス分離システムを用いて混合ガスを分離するために必要な分離膜の膜面積、水素の純度(第2透過ガスにおけるH2含有率)、及び、水素の回収率(混合ガスにおけるH2重量に対する、第2透過ガスにおけるH2重量の比率)を計算した。結果を表1に示す。
(Calculation example 4)
The simulation of Calculation Example 4 was performed in the same manner as in Calculation Example 1, except that a carbon dioxide permeable membrane was used as the first separation membrane and a hydrogen permeable membrane was used as the second separation membrane. The gas separation system for the assumptions of Calculation Example 4 is sometimes referred to as Model 3-1. By the simulation of Calculation Example 4, the membrane area of the separation membrane required to separate the mixed gas using the gas separation system, the purity of hydrogen ( H2 content in the second permeated gas), and the recovery rate of hydrogen ( The ratio of H2 weight in the second permeate gas to H2 weight in the mixed gas) was calculated. Table 1 shows the results.
(計算例5)
第1透過ガス及び第2透過ガスを回収することを想定したことを除き、計算例4と同じ方法によって計算例5のシミュレーションを行った。計算例5の想定に関するガス分離システムをモデル3-2と呼ぶことがある。計算例5のシミュレーションでは、上述した二酸化炭素の回収条件を達成することができなかった。そのため、第1分離膜の膜面積を840m2に設定し、第2分離膜の膜面積を463m2に設定した。この設定での二酸化炭素の純度(第1透過ガスにおけるCO2含有率)、二酸化炭素の回収率(混合ガスにおけるCO2重量に対する、第1透過ガスにおけるCO2重量の比率)、水素の純度(第2透過ガスにおけるH2含有率)、及び、水素の回収率(混合ガスにおけるH2重量に対する、第2透過ガスにおけるH2重量の比率)を計算した。結果を表1に示す。
(Calculation example 5)
The simulation of Calculation Example 5 was performed in the same manner as in Calculation Example 4, except that the first permeation gas and the second permeation gas were assumed to be recovered. The gas separation system for the assumptions of Calculation Example 5 is sometimes referred to as Model 3-2. In the simulation of Calculation Example 5, the carbon dioxide recovery conditions described above could not be achieved. Therefore, the membrane area of the first separation membrane was set to 840 m 2 and the membrane area of the second separation membrane was set to 463 m 2 . Carbon dioxide purity ( CO2 content in the first permeate gas), carbon dioxide recovery (ratio of CO2 weight in the first permeate gas to CO2 weight in the mixed gas), hydrogen purity ( The H2 content in the second permeate gas) and the recovery rate of hydrogen (the ratio of the H2 weight in the second permeate gas to the H2 weight in the mixed gas) were calculated. Table 1 shows the results.
(計算例6)
Schlumberger社製のプロセスモデリングソフトSymmetryを用いて、図7に示すガス分離システム300を運転したときのシミュレーションを行った。ガス分離システム300は、分離膜311を収容した分離膜ユニット310を備えている。分離膜311は、図1のガス分離システム100の第1分離膜11に対応している。ガス分離システム300は、第2分離膜ユニットを備えていないことを除き、図1のガス分離システム100と同じ構成を有している。
(Calculation example 6)
Using the process modeling software Symmetry manufactured by Schlumberger, a simulation was performed when the
ガス分離システム300は、混合ガス供給経路330、第1回収経路332及び第2回収経路334を備えている。混合ガス供給経路330は、分離膜ユニット310に混合ガスを供給するための経路である。混合ガス供給経路330には、混合ガスを昇圧する加圧装置340が配置されている。
The
第1回収経路332は、分離膜ユニット310の透過ガス出口に接続されており、分離膜ユニット310から透過ガスを回収するための経路である。第2回収経路334は、分離膜ユニット310の非透過ガス出口に接続されており、分離膜ユニット310から非透過ガスを回収するための経路である。
The
計算例6では、分離膜として水素透過膜を用いること、並びに、透過ガス及び非透過ガスを回収することを想定した。この想定に関するガス分離システムをモデル4と呼ぶことがある。モデル4を用いたことを除き、計算例1と同じ方法によって計算例6のシミュレーションを行った。計算例6のシミュレーションによって、ガス分離システムを用いて混合ガスを分離するために必要な分離膜の膜面積、水素の純度(透過ガスにおけるH2含有率)、及び、水素の回収率(混合ガスにおけるH2重量に対する、透過ガスにおけるH2重量の比率)を計算した。結果を表1に示す。 In Calculation Example 6, it is assumed that a hydrogen permeable membrane is used as the separation membrane and that the permeable gas and the non-permeable gas are recovered. A gas separation system for this assumption is sometimes referred to as Model 4. A simulation of Calculation Example 6 was performed in the same manner as in Calculation Example 1, except that Model 4 was used. By the simulation of Calculation Example 6, the membrane area of the separation membrane required to separate the mixed gas using the gas separation system, the purity of hydrogen (H 2 content in the permeated gas), and the recovery rate of hydrogen (mixed gas The ratio of the H2 weight in the permeate gas to the H2 weight in the permeate gas) was calculated. Table 1 shows the results.
(計算例7)
図6に示すガス分離システム200について、第1分離膜211として二酸化炭素透過膜を用いること、第2分離膜221として二酸化炭素透過膜を用いること、並びに、第1非透過ガス及び第2透過ガスを回収することを想定したことを除き、計算例3と同じ方法によって計算例7のシミュレーションを行った。計算例7の想定に関するガス分離システムをモデル5と呼ぶことがある。計算例7のシミュレーションによって、ガス分離システムを用いて混合ガスを分離するために必要な分離膜の膜面積、水素の純度(第1非透過ガスにおけるH2含有率)、及び、水素の回収率(混合ガスにおけるH2重量に対する、第1非透過ガスにおけるH2重量の比率)を計算した。結果を表1に示す。
(Calculation example 7)
Regarding the
表1からわかるとおり、本実施形態のガス分離システムを用いた計算例1及び4では、第1分離膜の膜面積と、第2分離膜の膜面積との合計値を大きく増加させずに、二酸化炭素及び水素のそれぞれを高い純度かつ高い回収率で回収することができた。このように、本実施形態のガス分離システムによれば、混合ガスを効率的に分離することができる。 As can be seen from Table 1, in Calculation Examples 1 and 4 using the gas separation system of the present embodiment, without significantly increasing the total value of the membrane area of the first separation membrane and the membrane area of the second separation membrane, Carbon dioxide and hydrogen could be recovered with high purity and high yield. Thus, according to the gas separation system of this embodiment, the mixed gas can be efficiently separated.
特に、計算例1、4及び6の結果から、本実施形態のガス分離システムでは、2種類の分離膜を組み合わせることによって、1種類の分離膜を備えたガス分離システムと比べて、必要な膜面積を大きく低減できることがわかる。 In particular, from the results of Calculation Examples 1, 4 and 6, in the gas separation system of this embodiment, by combining two types of separation membranes, compared to a gas separation system equipped with one type of separation membrane, the required membrane It can be seen that the area can be greatly reduced.
(計算例8~12)
計算例8~12では、計算例1と同様に、モデル1-1を運転したときのシミュレーションを行った。計算例8~12では、計算例1の条件から、第2分離膜の膜面積に対する第1分離膜の膜面積の比を変更して、その影響を確認した。結果を表2に示す。
(Calculation examples 8 to 12)
In Calculation Examples 8 to 12, similar to Calculation Example 1, simulations were performed when the model 1-1 was operated. In Calculation Examples 8 to 12, the ratio of the membrane area of the first separation membrane to the membrane area of the second separation membrane was changed from the conditions of Calculation Example 1, and the influence thereof was confirmed. Table 2 shows the results.
表2からわかるとおり、第1分離膜の膜面積が第2分離膜の膜面積よりも小さい計算例1、8~10では、二酸化炭素及び水素のそれぞれを高い純度かつ高い回収率で回収することができた。第2分離膜の膜面積に対する第1分離膜の膜面積の比が10/90以下である計算例1、8及び9では、二酸化炭素及び水素について、純度及び回収率が特に高い値であった。 As can be seen from Table 2, in calculation examples 1 and 8 to 10 in which the membrane area of the first separation membrane is smaller than the membrane area of the second separation membrane, carbon dioxide and hydrogen are each recovered at high purity and high recovery rate. was made. In Calculation Examples 1, 8, and 9, in which the ratio of the membrane area of the first separation membrane to the membrane area of the second separation membrane is 10/90 or less, the purity and recovery rate of carbon dioxide and hydrogen were particularly high. .
(計算例13~17)
計算例13~17では、計算例2と同様に、モデル1-2を運転したときのシミュレーションを行った。計算例13~17では、計算例2の条件から、第2分離膜の膜面積に対する第1分離膜の膜面積の比を変更して、その影響を確認した。結果を表3に示す。
(Calculation examples 13 to 17)
In Calculation Examples 13 to 17, similar to Calculation Example 2, simulations were performed when the model 1-2 was operated. In Calculation Examples 13 to 17, the ratio of the membrane area of the first separation membrane to the membrane area of the second separation membrane was changed from the conditions of Calculation Example 2, and the influence thereof was confirmed. Table 3 shows the results.
表3からわかるとおり、第1透過ガス及び第2透過ガスを回収するモデル1-2では、第1分離膜及び第2分離膜の膜面積を調節しても、二酸化炭素及び水素のそれぞれを高い回収率で回収することが難しかった。 As can be seen from Table 3, in model 1-2 in which the first permeation gas and the second permeation gas are recovered, even if the membrane areas of the first separation membrane and the second separation membrane are adjusted, each of carbon dioxide and hydrogen is high. It was difficult to recover the recovery rate.
(計算例18~21)
計算例18~21では、計算例4と同様に、モデル3-1を運転したときのシミュレーションを行った。計算例18~21では、計算例4の条件から、第2分離膜の膜面積に対する第1分離膜の膜面積の比を変更して、その影響を確認した。結果を表4に示す。
(Calculation examples 18-21)
In Calculation Examples 18 to 21, similar to Calculation Example 4, simulations were performed when the model 3-1 was operated. In Calculation Examples 18 to 21, the ratio of the membrane area of the first separation membrane to the membrane area of the second separation membrane was changed from the conditions of Calculation Example 4, and the influence thereof was confirmed. Table 4 shows the results.
表4からわかるとおり、第1分離膜の膜面積が第2分離膜の膜面積よりも小さい計算例4、18~19では、二酸化炭素及び水素のそれぞれを高い純度かつ高い回収率で回収することができた。 As can be seen from Table 4, in Calculation Examples 4 and 18 to 19 in which the membrane area of the first separation membrane is smaller than the membrane area of the second separation membrane, carbon dioxide and hydrogen are each recovered with high purity and high recovery rate. was made.
(計算例22~28)
水素透過膜について、水素の透過速度TH2を50GPUに設定し、二酸化炭素に対する水素の分離係数αH2を40に設定したこと、及び、二酸化炭素透過膜について、二酸化炭素の透過速度TCO2を50GPUに設定し、水素に対する二酸化炭素の分離係数αCO2を40に設定したことを除き、それぞれ、計算例1~7と同じ方法によって、計算例22~28のシミュレーションを行った。結果を表5に示す。ただし、計算例26のシミュレーションでは、計算例1について上述した二酸化炭素の回収条件を達成することができず、適切な計算結果を得ることができなかった。
(Calculation examples 22 to 28)
For the hydrogen permeable membrane, the hydrogen permeation rate T H2 was set to 50 GPUs, and the separation factor α H2 of hydrogen with respect to carbon dioxide was set to 40. For the carbon dioxide permeable membrane, the carbon dioxide permeation rate T CO2 was set to 50 GPUs. Calculation Examples 22 to 28 were simulated in the same manner as in Calculation Examples 1 to 7, respectively, except that the separation factor α CO2 of carbon dioxide with respect to hydrogen was set to 40. Table 5 shows the results. However, in the simulation of Calculation Example 26, the carbon dioxide recovery conditions described above for Calculation Example 1 could not be achieved, and appropriate calculation results could not be obtained.
表5からわかるとおり、水素透過膜及び二酸化炭素透過膜の分離性能を変更した場合であっても、本実施形態のガス分離システムを用いた計算例22及び25では、第1分離膜の膜面積と、第2分離膜の膜面積との合計値を大きく増加させずに、二酸化炭素及び水素のそれぞれを高い純度かつ高い回収率で回収することができた。 As can be seen from Table 5, even when the separation performance of the hydrogen permeable membrane and the carbon dioxide permeable membrane is changed, in Calculation Examples 22 and 25 using the gas separation system of the present embodiment, the membrane area of the first separation membrane , and the membrane area of the second separation membrane did not increase significantly, and carbon dioxide and hydrogen could be recovered with high purity and high recovery rate.
(計算例29~31)
計算例29~31では、それぞれ、計算例22、23及び25の条件から、第2分離膜の膜面積に対する第1分離膜の膜面積の比を変更して、その影響を確認した。結果を表6に示す。
(Calculation examples 29-31)
In Calculation Examples 29 and 31, the ratio of the membrane area of the first separation membrane to the membrane area of the second separation membrane was changed from the conditions of Calculation Examples 22, 23, and 25, respectively, and the influence thereof was confirmed. Table 6 shows the results.
表6からわかるとおり、第1分離膜の膜面積が第2分離膜の膜面積よりも小さい本実施形態のガス分離システムを用いた計算例22及び25では、二酸化炭素及び水素のそれぞれを高い純度かつ高い回収率で回収することができた。 As can be seen from Table 6, in Calculation Examples 22 and 25 using the gas separation system of the present embodiment in which the membrane area of the first separation membrane is smaller than the membrane area of the second separation membrane, each of carbon dioxide and hydrogen has a high purity. And it was possible to recover with a high recovery rate.
本実施形態のガス分離システムは、混合ガス、例えば二酸化炭素及び水素を含む混合ガス、を分離することに適している。特に、本実施形態のガス分離システムは、化学プラントのオフガスを処理することに適している。
The gas separation system of this embodiment is suitable for separating a mixed gas, such as a mixed gas containing carbon dioxide and hydrogen. In particular, the gas separation system of the present embodiment is suitable for processing off-gases from chemical plants.
Claims (12)
前記第1非透過ガスを第2透過ガスと第2非透過ガスとに分離する第2分離膜と、
を備え、
前記混合ガスは、ガスAと、前記ガスAとは異なるガスBとを含み、
前記第1分離膜は、前記ガスAを優先的に透過させることができ、
前記第2分離膜は、前記ガスBを優先的に透過させることができ、
前記第1分離膜の膜面積は、前記第2分離膜の膜面積よりも小さく、
前記第2透過ガス及び前記第2非透過ガスをそれぞれ回収する、ガス分離システム。 a first separation membrane that separates the mixed gas into a first permeable gas and a first non-permeable gas;
a second separation membrane that separates the first non-permeable gas into a second non-permeable gas and a second non-permeable gas;
with
The mixed gas includes a gas A and a gas B different from the gas A,
The first separation membrane can preferentially permeate the gas A,
The second separation membrane can preferentially permeate the gas B,
the membrane area of the first separation membrane is smaller than the membrane area of the second separation membrane,
A gas separation system for recovering the second permeate gas and the second non-permeate gas, respectively.
前記第2非透過ガスにおける前記ガスAの含有率が70vol%以上である、請求項1に記載のガス分離システム。 The content of the gas B in the second permeable gas is 70 vol% or more,
The gas separation system according to claim 1, wherein the content of said gas A in said second non-permeable gas is 70 vol% or more.
前記第2非透過ガスによる前記ガスAの回収率が60%以上である、請求項1に記載のガス分離システム。 The recovery rate of the gas B by the second permeable gas is 70% or more,
2. The gas separation system according to claim 1, wherein the recovery rate of said gas A with said second non-permeating gas is 60% or more.
前記第1分離膜ユニットに接続され、前記第1分離膜ユニットに前記混合ガスを供給するための混合ガス供給経路と、
前記混合ガス供給経路に配置され、前記混合ガスを昇圧する加圧装置と、
をさらに備えた、請求項1に記載のガス分離システム。 a first separation membrane unit containing the first separation membrane;
a mixed gas supply path connected to the first separation membrane unit for supplying the mixed gas to the first separation membrane unit;
a pressurizing device arranged in the mixed gas supply path for pressurizing the mixed gas;
2. The gas separation system of claim 1, further comprising:
前記第2透過ガスを回収する第1回収部と、
前記第2分離膜ユニット及び前記第1回収部に接続され、前記第1回収部に前記第2透過ガスを送るための第1回収経路と、
をさらに備えた、請求項1に記載のガス分離システム。 a second separation membrane unit containing the second separation membrane;
a first collection unit that collects the second permeation gas;
a first recovery path connected to the second separation membrane unit and the first recovery section for sending the second permeated gas to the first recovery section;
2. The gas separation system of claim 1, further comprising:
前記第2非透過ガスを回収する第2回収部と、
前記第2分離膜ユニット及び前記第2回収部に接続され、前記第2回収部に前記第2非透過ガスを送るための第2回収経路と、
をさらに備えた、請求項1に記載のガス分離システム。 a second separation membrane unit containing the second separation membrane;
a second collection unit that collects the second non-permeable gas;
a second recovery path connected to the second separation membrane unit and the second recovery section for sending the second non-permeable gas to the second recovery section;
2. The gas separation system of claim 1, further comprising:
前記ガスBを優先的に透過させることができる第2分離膜によって、前記第1非透過ガスを第2透過ガスと第2非透過ガスとに分離する第2分離工程と、
前記第2透過ガス及び前記第2非透過ガスをそれぞれ回収する回収工程と、
を含み、
前記第1分離膜の膜面積が前記第2分離膜の膜面積よりも小さい、混合ガスの分離方法。 A mixed gas containing the gas A and a gas B different from the gas A is separated into a first permeable gas and a first non-permeable gas by a first separation membrane capable of preferentially permeating the gas A. a first separation step;
a second separation step of separating the first non-permeable gas into a second non-permeable gas and a second non-permeable gas by a second separation membrane capable of preferentially permeating the gas B;
a recovery step of recovering the second permeable gas and the second non-permeable gas, respectively;
including
A method for separating a mixed gas, wherein the membrane area of the first separation membrane is smaller than the membrane area of the second separation membrane.
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